JP4988076B2 - Peptide-coated implant and method for preparing the same - Google Patents

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Description

本発明は、インプラントの特定の環境において、特定の細胞の付着を選択的に介在することのできるペプチドで被覆されている、ヒトおよび動物の体用の一般的性質のインプラントに関する。特に、本発明は、RGDペプチドで被覆されたインプラントおよびその調製方法に関する。
本発明は、特に適当な組織中への外科的に挿入した後、組織選択的な促進され高められた一体化を図る目的で、一般的な生体材料およびインプラントの表面被覆を標的とする、選択細胞種の付着刺激の原理に基づく。
この方法では、インプラントが挿入される特定の組織環境を斟酌した上で、インプラントの種々の表面部分を、細胞付着を媒介する種々のペプチド、特にRGDペプチドで、被覆でき、利用される得るようにすることができる。
この方法では、さらに、組織加工に関して、器官再生のための生物学的情報を有する「情報化」バイオハイブリッド器官の生成は、インプラント表面の異なる領域を占める種々のペプチドにより、種々の細胞種の特異的活性化の手法による自己形成によることも可能である。
以後、「本発明のペプチド」という用語は、特記あるいは追記がなされない限り、細胞付着に介在することのできる全てのペプチドを含む。これらのなかでも、特には、アルギニン(R)、グリシン(G)およびアスパラギン酸(D)のアミノ酸を連続的に含むもの(RGDペプチド)を考えている。好適なRGDペプチド、ならびにRGDを含まないが好適なペプチドの例は、後でさらに言及する。さらに、RGD配列は含まないものの、にも拘わらず細胞付着に影響を及ぼす、類似したペプチドも含まれる。最も広い概念では、定性的には前記ペプチド化合物と同じ生物学的活性を有している非ペプチド化合物をも、本発明は含む。
本発明における概念では、生体材料ないしインプラントは、機能的に損傷を受けた対応する天然組織の機能を修復するために、ヒトまたは動物の体内に導入することのできる材料と定義される。これらは、例えば、股関節内部人口器官、人口膝間接、顎インプラント、代替腱、代替皮膚、人工血管、心臓ペースメーカー、人工心臓弁、胸部インプラント、ステント、カテーテルおよびシャントを含んでいる。
体内におけるインプラントの一体化性は、なお問題を持つことが判明している。材料の組織一体化は、機能発揮に十分な組織/生体材料結合の機械的安定性を得るためは、しばしば、あまりもゆっくりと及びあまりにも不完全にしか進行しない。その不十分な界面適合性又は生適合性のため、取り巻いている健康な組織または細胞の活性吸収を妨げているインプラント表面の組成が、これを起こす原因となることが多い。これが、安定な組織−インプラント境界層の形成を複雑にし、そして、不完全な組織の一体化を引き起こし、それが、回り回って、弛緩、組織再吸収、感染、炎症、アレルギー、微小血栓形成(再狭窄)を起こす。結果として、インプラント(例えば、股関節内部人工器官、顎インプラント、カテーテルおよび骨外固定)の置き換えのための修正手術介入および新たな外科手術介入が必要となる(MalchauおよびHerberts著, 1996, Prognosis of the Total Hip Arthoplasty, 第63巻。Annual Meeting of the American Academy of Orthopaedic Surgeons, Atlanta; Haddadら著, 1996, The Journal of Bone and Joint Surgery, 第78-B巻:546〜549頁;Collingeら著, 1996, Pin Tract Infections)。
さらに、特に股関節内部人工器官の場合、骨細胞および骨組織が所望通りに生体材料への直接結合を形成せず、かわりに線維芽細胞および結合組織が妨害要素として発生する、いわゆる無菌インプラント弛緩が問題となることが判明している。結果として、この人工器官は、骨組織の代わりに結合組織と結び付き、その結果、人工器官−結合組織組織結合の安定性は、人工股関節での力伝達に対する機械的要求を満たすには十分ではないものである。結局、これが人工器官の弛緩(Pilliarら著, 1986, Clin. Orthop., 第208巻:108〜113頁)につながり、同じく修正手術が必要となる。インプラントに付着する望ましくない細胞型のさらなる例は、血小板であり、これは、微小血栓の形成や、そしてインプラントの一体化の阻害をも誘起する(Phillipsら著, 1991, Cell, 第65巻, 359頁)。
体内への生体材料またはインプラントの一体化能の欠如は、完全置き換え器官の場合、異なる細胞型がインプラントと接触する上、必要な一体性が目標とされるので、特に深刻な影響を有する。他の患者の助力による極端に複雑な移植処置を避けるために、組織加工の分野においては、例えば、生細胞に覆われ、機能単位として移植することが可能なキャリア材料からなる、所謂バイオハイブリッド器官を用いて、肝臓、膵臓、腎臓および脾臓の機能疾患の治療を達成することがますます頻繁に試みられている。大部分の場合、この目的のため、生体外において、機能性のある健康な細胞を再吸収性または非再吸収性膜に含ませ又は封入した上で、人工バイオハイブリッド器官または仮想器官として患者に移植される(例えば:Limら著, 1980, Science, 第210巻, 908〜912;Altmanら著, 1982, Horm. Met. Res. Suppl., 第12巻, 43〜45;Zekornら著, 1989, Transplantation Proceedings, 第21巻, 2748〜2750;Altmanら著,1982, Horm. Met. Res. Suppl., 第12巻, 43〜45頁:EP 0 504 781 B1)。しかしながら、ここでも、なお、移植片への栄養供給の欠如をも伴う線維被鞘、カプセルからの細胞放出による免疫防御反応、および材料表面の血液凝固能に起因する血栓形成といった問題が非常に頻繁に起こる。
細胞付着に介在するペプチドでそれを被覆することにより、生体材料/インプラントの組織一体化を惹起することが知られている。この目的のため、一方では、トリペプチドのアミノ酸配列 アルギニン−グリシン−アスパラギン酸(RGD)を含むペプチド、またはその非ペプチド類似体、ならびに、他方では、細胞付着を媒介する非RGD含有ペプチド(例えば以下参照)、またはその非ペプチド類似体は、知られているように、多くの蛋白の一体化成分、特に、細胞外マトリクス(例えば、コラーゲンI型、フィブロネクチン、ラミニン、ビトロネクチン、エンタクチン、オステオポンチン、トロンボスポンジン)または血液凝固カスケード(フィブリノーゲン、フォン−ウィルブランド因子)のように、真核細胞の付着のための中枢認識パターンとして機能する(例えば:PierschbacherおよびRuoslahti著, 1984, Nature, 第309巻:30〜33頁;Yamada著, 1991, J. Biol. Chem., 第266巻:12809〜12812頁)。本発明により定義される配列は、細胞表面上の受容体であるインテグリンにより認識され、結合される。対応する蛋白への細胞の付着は、多数の異なるインテグリンが介在するため、細胞種のインテグリン発現パターンは、これらの蛋白への付着特性にとって、重大である。特定のインテグリンにのみ選択的かつ特異的に結合し得る適当な配列を具える大部分の短鎖ペプチドの生成−測定設計および合成は、これらのインテグリンを発現する細胞種のみを標的して活性化することを可能にする。すなわち、例えば、望ましくない細胞種、例えばαIIbβ3担持血小板の付着を同時に刺激し得ることはなく、αvインテグリン受容体に選択的に結合し、つまり、αvβ3/αvβ5担持細胞(骨芽細胞、破骨細胞、内皮細胞)の結合(付着)を選択的に刺激し得るRGDペプチドが知られている(Haubnerら著, 1996, 第7巻, Am. Chem. Soc.,第118巻:7461頁)。対照的に、他のRGDペプチドは、逆の効果を示し、αIIbβ3インテグリン受容体と選択的に結合し、つまり、例えば、血小板への選択性を示す(Phillipsら著, 1991, Cell第, 65巻, 359頁)。
本発明において言うところの、合成により得られるペプチドをインプラントの表面への取り付けは知られている。この場合、ペプチドは、大なり小なりは、吸着により、あるいは共有結合により表面に付着される。例えば、DE 1 97 06 667には、吸着によってRGDアミノ酸配列を有するペプチドの表面被覆を有する多孔質ポリマー材料に基づいた骨置換部材に関する生体材料が記載されている。WO 91-05036には、さらに、特にRGD配列を同じく有し得るペプチドがその表面に共有結合している、金属製、特にはチタニウムまたはチタニウム合金製の人工器官が開示されている。Valentiniら(1997, 5月, Transactions of the 23rd Annual Meeting of the Society for Bomaterials, ニューオーリンズ, USA)は、フッ素化エチレンプロピレン中間層を設けたチタン製ねじへのRGDペプチドの共有結合を記載している。Rezaniaらは、同じ年会において、共有結合によってアミノ機能性有機シランで被覆した二酸化珪素または二酸化チタン表面を報告し、結局、ヘテロ二官能性架橋剤によりチオールを含有するRGDペプチドの結合を共有結合的に達成している。
しかしながら、これらの技術面の解決は、問題のインプラントを取り囲む組織の特定の細胞型と選択的に適合すべく調製した、本発明により規定されるペプチドでその表面を特異的に被覆してあるインプラントまたは生体材料を利用可能とする要求には答えていない。
従って、インプラントを体内に挿入後、例えば、股関節内部人工器官における骨細胞または皮膚、毛髪または歯の置換のための上皮細胞のように、それらと活発に機能する必要のある、これらの組織または細胞種は、それぞれ、これらの組織一体化のために排他的または選択的に配され、同時に、例えば、血栓または結合組織カプセルの形成を促進する血小板または線維芽細胞のような、このプロセスを妨害する細胞種は、インプラントとの選択的な相互作用を受けることを抑えられるように生体材料を修飾し得ることが望ましい。
さらに、対応する選択された組織の生体内合成の促進に結果としてつながる、対応する相補的インテグリンを保持するこれらの選択された細胞型の付着を、排他的または少なくとも優先的に刺激する本発明により定められたペプチド(またはその非ペプチド類似体)でインプラントを被覆することが望ましくかつ魅力的な方法である。
完全なバイオハイブリッド器官(皮膚、血管、尿路、膀胱、食道、膵臓、肝臓、脾臓、腎臓)の開発に関しては、異なる細胞生体内プロセスが行われるように、標的化され、空間的に限定されかつ調節されるように、本発明により規定された種々の細胞選択性ペプチドで、インプラントの異なる表面部分を被覆することによって、特定器官の各場合に則した、所望の種々の細胞種を活性化し得ることは、決定的な進歩である。
本発明は、ここで、試験管内において、各場合に対応する生体材料の組織一体化を完成するであろう細胞種の付着を主に刺激し、同時に、試験管内において、そのプロセスに反する細胞種の付着をよくは刺激しすることのない、本発明により規定される、合成された、細胞または組織選択的なRGDペプチドで被覆することにより、全ての考えられる器官用の生体材料、特にインプラントの生体機能付加の可能性を記載する。そのような被覆を用いることにより、向上した体内に挿入後の長期間安定性をも伴う、種々の生体材料/インプラントの促進かつ向上した一体化が、達成できる。
さらに、本発明により定められる異なるペプチドでインプラントの種々の材料表面部分を被覆するというこの着想を用いると、「情報化」バイオハイブリッド器官の開発(「組織加工」)に、全ての可能性が現われ、それは、種々の標的組織または標的細胞の選択的な活性化のための生物学的情報を運ぶことができ、従って自己組織化により体内に一体化することができ、この意味では、組織の一体化を向上させる、または始めてそれを可能にすることさえできる。
すなわち、本発明は、本質的に、キャリアマトリクスと、ヒトまたは動物細胞上の付着を支配するインテグリン受容体上の結合部位を認識する配列を有しており、目標とするヒトまたは動物体細胞の付着刺激のための同一または異なるペプチドを含む、このマトリクスを取り囲んでいるペプチド被覆とからなる異なるヒトおよび動物器官に適したインプラントであって、前記キャリアマトリクスは、前記ペプチド層の適当な官能性反応性基と安定な共有結合を形成することができる、表面上に結合し得る反応性基を有しており、その対応した異なる構造に関係した、細胞付着刺激活性に由来して、細胞にインプラントが挿入されるべき、特定の領域において、それらと隣接する組織細胞の天然の異なる相補的なインテグリンのパターンと特異的に対応し、これにより、インプラント表面の、局部的に分化し、選択的な、生物学的に活性な被覆パターンが存在するように、前記ペプチドがインプラントの表面に局部的に異なる方法配されていることを特色とするインプラントに関する。
本発明は、さらに、インプラントと直に隣接する組織細胞の相補的インテグリンパターンに対して選択的である、細胞付着刺激ペプチドで被覆された表面を有する無機キャリアマトリクスを基とした、器官/組織に適するインプラントを調製する方法であって、それ自体知られている方法によって、(i)生体内でインプラントが導入される標的細胞または標的組織のインテグリン受容体構造を試験管内で決定し、(ii)適当な相補的構造を有するペプチドを選択または合成し、かつ(iii)前記ペプチドをインプラントの適切な表面に結合することを特徴とする方法に関する。
特には、本発明は、以下の特徴を有する方法およびインプラント/生体材料に関する:前記ペプチド、特にはRGDペプチドが、必要に応じて、分岐した、表面積拡大分子および/または分子アンカーを介して、共有結合によりインプラント表面に付着され;好ましくは、αvβ3/αvβ5担持細胞を刺激することができる、すなわち、特には、例えば骨芽細胞、破骨細胞、内皮細胞の付着を刺激することができるが、同時に血小板または線維芽細胞の付着は刺激することはできないRGDペプチドが用いられ;用いられるキャリアマトリクスは、セラミック、ポリマー材料または金属製の造形もしくは非造形部位、またはバイオハイブリッド器官あるいは仮想的器官である。
分子レベルにおいて、本発明により定められるペプチドは、本質的に以下の要素から設計される:
・選択された細胞種を選択的に認識および結合する、付着に適切なアミノ酸配列(例えば、前記RGD配列)担持ドメイン、
・細胞結合が立体的観点からのみ可能となるように、細胞認識および認識配列担持ドメインを細胞に対し提示するためのスペーサー、
・生体材料またはインプラント表面への当該ペプチド誘導体の安定な結合を行う分子アンカー、
・生体材料表面へ結合させるに先立ち、本発明により定められるペプチドをさらに、表面積拡大効果を発揮する分岐分子構造(いわゆるデンドリマーまたはテンタクル(Tentakel))に結合させておくことにより任意に細胞付着を増加させることができる。
生体材料またはインプラントの表面は、本発明においては、キャリヤマトリクスの直の表面のみならず、例えば、ポリマー材料、天然もしくは人工骨材料、蛋白または蛋白誘導体であってもよいさらなる被覆とも理解されるべきである。
適当なキャリアマトリクスは、特に、セラミック、金属、ポリマー材料(例えば、PMMA)または好ましくは再吸収性骨置換材料からなる部材である。当初の組織状態の回復を成し遂げることができる、例えば、ポリラクチド、特にラセミD,Lポリラクチド化合物または再吸収性燐酸カルシウムもしくはヒドロキシアパタイト混合物からなる再吸収性または生分解性材料、ならびに例えば、WO 96/36562またはEP 0 543 765に開示されているような材料が特に好適である。使用分野により、コラーゲンまたは寒天もキャリアマトリクスとして好適であり得る。
「バイオハイブリッド器官」という用語は、任意の方法(前記参照)で生体細胞を付加したまたは生体細胞に結合された通常の無機マトリクスを意味すると理解される。本発明においては、これは、細胞を含まないまたは、異なるインプラント表面部分に本発明により定められた異なる型の対応するペプチドのみを含み、欠損組織に挿入されたときに周囲の細胞を選択的に活性化することができる対応する配列をも意味すると理解されものである。そのような細胞バイオハイブリッド器官の利点は、費用的に効率が良く制御し得る方法で製造することができる「情報化」生適合性インプラントは、器官再生のための生物学的情報を搬送することである。次に、そのようなバイオハイブリッド器官の体内への一体化が、例えば、移植された異物細胞または異物蛋白に因り頻繁に起こるような免疫防御反応を回避することのできる、内在的再生プロセスによる自己構成により完成される。
本発明によれば、インプラントは概して造形体または人工器官の形をとり、そこで造形体は特定の組織/骨欠損部に適合するべく調製される。バイオハイブリッド器官の場合、人工器官は、対応する細胞により、あるいはよらず被覆されている膜または被膜、および本発明により定められるペプチド、また、その他、例えばEP 0 504 781に開示されているような配列によってのみ構成することができる。
本発明において、用いることのできる適当なペプチドは、細胞付着を支配する領域またはアミノ酸配列を含み、また、ペプチドおよび非ペプチド置換体を介してインプラント表面に結合することができる、全てのペプチドおよび非ペプチド置換体を有するその化合物である。特には、可能な対応するペプチドは、RGD配列を有するものである。
以下の好ましいペプチドおよびペプチド化合物の一覧は、単に例示的ではあるが、限定的な性質は全く持たないものとして意図されており、また、下記の略号が用いられる:
AsP(D)=アスパラギン酸
Gly(G)=グリシン
Arg(R)=アルギニン
Tyr(Y)=チロシン
Ser(S)=セリン
Phe(F)=フェニルアラニン
Lys(K)=リシン
DPhe(f)=D-フェニルアラニン
Pro(P)=プロリン
Leu(L)=ロイシン
Ile(I)=イソロイシン
Val(I)=バリン
Glu(E)=グルタミン酸
Thre(T)=トレオニン
Ala(A)=アラニン
(a)好適なRGD含有ペプチドの例:
RGD(Arg-Gly-Asp)、
GRGD(Gly-Arg-Gly-Asp)、
GRGDY(Gly-Arg-Gly-Asp-Tyr)、
RGDS(Arg-Gly-Asp-Ser)、
GRGDS(Gly-Arg-Gly-Asp-Ser)、
RGDF(Arg-Gly-Asp-Phe)、
GRGDF(Gly-Arg-Gly-Asp-Phe)、
シクロ-RGDfK(Arg-Gly-Asp-DPhe-Lysine)、
シクロ-RGDfKG(Arg-Gly-Asp-DPhe-Lys-Gly)。
(b)好適な非RGD含有ペプチドの例:
LDV(Leu-Asp-Val)、
LGTIPG(Leu-Glu-Thr-Ile-Pro-Gly)、
REDV(Arg-Glu-Asp-Val)、
IKVAV(Ile-Lys-Val-Ala-Val)、
YIGSRG(Tyr-Ile-Gly-Ser-Arg-Gly)、
LRE(Leu-Arg-Glu)、
PDSGR(Pro-Asp-Ser-Gly-Arg)、
DGEA(Asp-Gly-Glu-Ala)、
RYVVLPR(Arg-Tyr-Val-Val-Leu-Pro-Arg)。
本発明により定められるペプチドは、線状または環式のいずれでもよい。上述のペプチドおよびペプチド配列は、選択される本発明のペプチドに依存して、合計で約4〜20個のアミノ酸を有するより長いペプチド内に存在してもよい。同様に、DまたはL配置をとるまたはC-および/またはN-アルキル化しているアミノ酸も本発明に含まれる。本発明によれば、環式ペプチドは、閉鎖してアミド結合を介して環を形成し、好ましくは分子内に遊離カルボキシル基またはアミノ基が存在していないペプチドを意味すると解される。本発明においては、RGDペプチド、特には、上述の一覧から選択するものは特に好ましく、また、これらのうち、特に、環式のものがDE-A-1 95 38 741に開示され、骨芽細胞に特異的であるペンタペプチドRGDfK、およびまた同様にその環式状態で存在し、血小板に特異的であるヘキサペプチドRGDfKGが好ましい。
本発明により定められる対応する線状および環式ペプチドは、例えば、以下の特許出願:EP 0 632 053, EP 0 655 462, EP 0 578 083, EP 0 770 622, DE 1 95 38 741に開示されている。特に、αvβ3/αvβ5インテグリン発現細胞種(例えば、骨芽細胞、破骨細胞、内皮細胞)には選択的に結合するものの、例えば、αIIbβ3担持細胞種(例えば、血小板)には同時に結合することはないペプチドが好適である。ペプチドおよび対応する誘導体は、別の方法で得られない場合には、標準的な方法により容易に合成することができる。
原理的には、本発明により定められるペプチドは、吸着または共有結合により生体材料の表面に付着させることができる。吸着法は、本発明における表面の局部的に選択的な異なる被覆は、この手法を用いると殆ど満足できないやり方でしか行うことができるのみであるので、1つの同じインプラントに対して複数の異なるペプチドを用いる場合、あまり適していない。
主にいわゆる分子アンカーを用いる共有結合によりキャリア表面へのペプチドまたはその非ペプチド類似体の結合は、それ自体十分によく知られており、例えば、以下に記載されている:Singerら著(1987, J. Cell. Biol., 第104巻, 573頁);Brandley, Schnaar著(1989, Develop. Biol., 第135巻, 74頁);Massia, Hubbell著(1990, Anal. Biochem., 第187巻, 292頁);Hiranoら著(1991, J. Biomed. Mat. Res., 第25巻:1523頁);Linら著(1992, Biomaterials, 第13巻:905頁);Nicolら著(1992, J. Biomed. Mat. Res., 第26巻:393頁);Deeら著(1995, Tissue Engin., 第1巻:135頁)、但し、この場合に依らずとも、インプラントの被覆は一般的な、特に任意の方法でもなされる。
さらに、本発明は、例えば、アクリロイルまたはメタクリロイルアンカー成分を含む表面への前記ペプチド(または、その非ペプチド類似体)の結合のため、本発明において始めて適用された、「Kevloc▲R▼」プロセス(EP 0 712 621)、あるいは、一般にアクリロイル/メタクリロイルシラン誘導体中間層(例えば、3−メタクリル−オキシプロピルトリメトキシシラン)を介して、アクリロイルまたはメタクリロイルアンカー成分を用いて対応するキャリアマトリクスへの対応するペプチドの結合に、本発明において用いられた「Silicoater▲R▼」プロセス(DE-A 42 25 106)のように、本発明によるインプラント調製のための、それ自体は既知な被覆方法の新規な利用に関する。本発明により定められるペプチドをキャリアマトリックスまたはインプラントの表面に結合させるさらなる可能性は、自動車およびプラスチック産業における金属ならびにプラスチック用の水系被覆システムにおいて、真珠光沢顔料被覆のための技術的教示を元来説明するものであるDE-A 43 21005に記載のシラン化プロセスと同様の使用を構成する。さらには、元々別の関係において記載されていた(Heuvelら著, 1993, Analytical Biochem, 第215巻:223頁)、チオール基担持ペプチドで金表面を被覆する方法も、本発明に適している。
概説した方法は、未だかつて、生物学的活性化を目的とするインプラントの被覆に用いられたことはなかった。
本発明により定められる対応するペプチドのインプラント表面への結合は、本発明においては、適当なアンカー分子を介して行われ、すなわち、そのペプチドは、一般に、インプラント表面へ直接には付着されない。以下により詳細に定義される、そのような分子の挿入は、特に、対応するペプチドの結合との関係では、標的細胞上の生物学的受容体の立体的な要請を考慮すべき点として有する。
この目的では、インプラント表面は、アンカー分子の対応する官能基との結合を可能にする適当な官能基または反応性単位を保持しなくてはならない。インプラント表面で利用可能にされる官能基は、必要に応じて変化する実際のキャリアマトリクスの組成(金属、プラスチック、骨材料)に依存する。金属インプラントの場合、例えば、金を蒸着することによりアンカー分子のSH基に対して反応性な表面層を生成することが可能である。既知の方法(前記参照)による金属表面のシラン化も、同様に、適切な場合にはシラン含有付着促進剤(下記参照)を使用して、本発明による適当なアンカー分子と化合物を形成することができる反応性表面へと導く。天然骨または天然様骨材料(例えば、リン酸カルシウムセメント)からなるインプラントは、反応性ホスホン酸基を含むアンカー分子と結合することができる(原理はChu, Orgel著, 1997, Bioconjugates Chem., 第8巻:103頁に記載)。また、それ自身の一部として、反応性のアクリル酸基を有する、本発明によるアンカー分子は、アクリレート系プラスチック(例えば、PMMA)あるいは適当なプラスチック被覆を有する他の材料からなるインプラントへと結合させることができる。
このように、本発明の意味するアンカー分子は、少なくとも2つの異なる官能基、すなわち、通常、本発明により定められるペプチド、特には、RGDペプチドの側鎖の遊離NH2基(遊離カルボキシル基)とアミド結合(-CO-NH-)を生成する遊離カルボキシル基(遊離NH2基)である一つの官能基と、好ましくは、アンカー分子の炭素鎖の他端に局在化しており、インプラント表面の組成または要請に依存して、インプラント表面への直接あるいは間接に結合を生じる、好ましくは(メタ)アクリレート含有基またはメルカプト基である他の官能基とを有する、修飾または置換されたアルキル鎖あるいは炭化水素鎖に基づく分子である。原則的には、インプラント表面上のまたは適当な中間層上の対応した反応基と直接反応して、安定な結合を与えることができるその他の官能基を用いることも可能である。
本発明のアンカー分子は、上にて既に述べたように、同時にスペーサーの機能を有しており、すなわち、その概説したもの加えて、連結部の選択は、細胞の結合が向上するあるいは立体的観点から可能となり得るように、細胞付着刺激を支配するドメインが標的細胞と適切な距離をとることを可能とするため、適当に選択され、特異的に調節された長さを有する。
細胞の認識および対応するアミノ酸配列を保持するドメインの生物学的機能は、例えば、αvβ3/αvβ5インテグリン発現細胞種(例えば、骨芽細胞、破骨細胞、内皮細胞)と選択的に結合する合成ペプチドにより確認された(Haubnerら著, 1996, J. Am. Chem. Soc., 第118巻:7461〜7472頁)。
本発明のアンカー分子は、好ましくは、以下の線状構造を有し、本発明により定められるペプチドは、1つのそのアミノ酸側鎖、好ましくはリシン側鎖のNH2基を介して、対応するアンカー分子の遊離カルボキシル末端と結合される。
(i)メルカプト(アミド)カルボン酸誘導体:
-CO-(CH2k-X-SH、
ここで、Xは一重結合または-CO-NH-(CH2l-
k=2〜12およびl=2〜4
(ii)アクリルアミドカルボン酸誘導体:
-CO-(CH2m-[NH-CO-(CH2np-NH-CO-CH=CH2
ここで、m、n=2〜8;p=0〜2、
(iii)アクリルアミド−アミドトリエチレングリコール酸誘導体:
-(CO-CH2-O-CH2-CH2-O-CH2-CH2-NH)q-CO-(CH2r-NH-CO-CH=CH2
ここでq=1〜3およびr=2〜8。
特に、以下の種類の特定のアンカー分子が好ましい。
(ia) -CO-CH2-CH2-SH(メルカプトプロピオン酸)
(ib) -CO-CH2-CH2-CO-NH-CH2-CH2-SH(メルカプトエチルアミドコハク酸)
(iia) -CO-(CH25-NH-CO-CH=CH2(アクリルアミドヘキサン酸)
(iib) -CO-(CH25-NH-CO-(CH25-NH-CO-CH=CH2(アクリルアミドヘキサン酸−アミドヘキサン酸)
(iiia) -CO-CH2-O-CH2-CH2-O-CH2-CH2-NH-CO-(CH25-NH-CO-CH=CH2(アクリルアミドヘキサン酸−アミドトリエチレングリコール酸)
(iiib) -(CO-CH2-O-CH2-CH2-O-CH2-CH2-NH)2-CO-(CH25-NH-CO-CH=CH2(アクリルアミドヘキサン酸−ジアミドトリエチレングリコール酸)
通常、本発明によれば、線状炭素鎖に少なくとも6個の炭素を有するいずれのアンカー分子構造は好ましい。実際、驚くべきことに、インプラントの促進され高められた組織一体化に関して、最良の結果を達成するためには、この長さのアンカー分子が特に好ましいことが見出された。線状鎖中の少なくとも6個の炭素原子と表記は、本発明においては、ペプチドとインプラント表面との間の分子の合計長さである。すなわち、より短い鎖を有する先に示した構造のアンカー分子(例えば、タイプia)も、適当であり、特記しない限りは、鎖延長性結合成分がペプチドとインプラント表面との間に挿入される。
アンカー分子は、標準的な方法により、カルボキシル官能基を介して、アミドの形状で、本発明により定められるペプチドと結合されるが、その方法により、ペプチド-NH-CO-アンカー型の分子の構造となり、また、示されるとおり、インプラントに付着し、それにより、また、次の型の生成物:ペプチド-NH-CO-アンカー分子-インプラント(表面)が構築される。個々に前述した定義ペプチド、特にRGDペプチドの1つ、個々に前述した一般的かつ特異的に定義されるアンカー分子の1つ、および適当な表面反応性インプラントからなる対応するインプラント構造が好ましい。以下のインプラントが特に好ましい:
シクロ-RGDfK NH-CO-チオール誘導体(タイプ:i)-インプラント、
シクロ-RGDfK NH-CO-アクリレート誘導体(タイプ:ii)-インプラント、
シクロ-RGDfK NH-CO-アクリレート−グリコール誘導体(タイプ:iii)-インプラント、
シクロ-RGDfKG NH-CO-アクリレート−グリコール誘導体(タイプ:iii)-インプラント、
ここで、全アンカー分子の線状炭素鎖は少なくとも6個の原子を有する。
これらのうち特に好ましいのは:
シクロ-RGDfK NH-CO-チオール誘導体(タイプ:ib)-インプラント、
シクロ-RGDfK NH-CO-アクリレート誘導体(タイプ:iia)-インプラント、
シクロ-RGDfK NH-CO-アクリレート誘導体(タイプ:iib)-インプラント、
シクロ-RGDfK NH-CO-アクリレート−グリコール誘導体(タイプ:iiia)-インプラント、
シクロ-RGDfKG NH-CO-アクリレート−グリコール誘導体(タイプ:iiia)-インプラント、
シクロ-RGDfK NH-CO-アクリレート−グリコール誘導体(タイプ:iiib)-インプラント。
これらの好ましい構造の調製は、標準的方法により実施され、または以下にさらに記載され、あるいは、そのようなペプチドアンカー構造に関する出願人の同日付の並行出願に記載されている。
既に先に詳細に説明したように、本発明における生体材料表面への記載した細胞または組織選択的なペプチド誘導体のつなぎとめには、本質的に3つの択一的経路があり、それぞれのRGD配列を保持するドメインの分子認識パターンは、ある細胞型およびスペーサーについて選択的に変化しないで維持することが可能であり、一方、分子アンカーは、例えば、次に述べる結合変形に依存して、変化し得る:
・金被覆生体材料表面(例えば、タイプ(i)のアンカー分子)へのチオールペプチド誘導体の結合;
・アクリレートまたはメタクリレート被覆生体材料(例えば、タイプ(ii)または(iii)アンカー分子)への(メタ)アクリロイルペプチド誘導体の結合;
・付着促進剤または中間層として、(メタ)アクリロイルシラン誘導体(例えば3−メタクリロキシプロピルトリメチロキシシラン)を用いて、シラン被覆生体材料表面(例えば、タイプ(ii)または(iii)アンカー分子)への(メタ)アクリロイルペプチド誘導体の結合。
生体材料表面への、種々のペプチド結合変形について、アンカー分子の臨界的最短長の決定は、好ましくは6〜24個の炭素原子の鎖長と択一的に異なる疎水性/親水性の特性を有する本発明により定められるアンカー分子とともに、本発明により定められるペプチドを合成することにより行われる(例えば、それ自体標準的な方法により、異なる数の-CH2-単位および/またはアミドヘキサン酸またはエチレングリコールを使用し、続いて、適当な生体材料の被覆後に、試験管内での細胞付着を決定して、生物学的活性を試験することによる)。
前述の方法において、インプラントの材料特性に依存して、本発明によるペプチド誘導体と実際に結合させる前に、表面を調節するために適当な被覆方法を選択することができる。さらに、生体材料/インプラントの一体化を達成しようと意図している組織型または細胞型に応じて、例えば、上皮細胞からのα6β4インテグリン(例えば、骨、顎、皮膚または毛髪インプラントの用途)あるいは血小板からのαIIbβ3インテグリンのような、対応する標的細胞種のインテグリンを目標とするやり方で活性化する、他のペプチドの被覆も可能である。αvβ3特異的RGDペプチドは、内皮細胞および骨芽細胞への選択性を有し、その結果として、例えば、人工血管または骨インプラントの被覆に適したものとなる。これにより、骨、血管、歯、皮膚および毛髪置換の分野におけるインプラントに対して、所望の器官のほとんどいずれにも適する生活性化した表面被覆を実現することができる。
本発明による適当なインプラントまたはバイオハイブリッド器官が利用可能とされる前には、選択された組織中に挿入されるべきインプラントの特異的かつ選択的被覆を後に行い得るように、特定の細胞型に好適なペプチドを、試験管内試験システムにおける生物学的活性に関して、予め試験し決めなくてはならない。
この目的のために必要な、インプラントを挿入すべき標的組織または標的細胞のインテグリン受容体構造の分析を、例えば、免疫蛍光または組織サンプルの免疫組織化学のような、慣用、既知の免疫組織学的プロセスにより実施する。この目的のために必要な、種々のインテグリン受容体またはそのサブユニットに対する抗体は、一方では既知かつ入手可能であり、あるいは、例えば、適当な免疫化のような、それ自体知られている標準的な方法により適宜製造することができる。
本発明により定められるペプチドは、種々の濃度で、例えば、ウシ血清アルブミン(BSA)で被覆されたポリスチレンの培地表面に共有結合される。この試験担体の材料は、好適なペプチドを決定する際には、いかなる本質的役割も果たさない。同様に、ここで使用される結合法も、さらに、殆ど重要性ではない。実用上の理由からは、これらの決定における結合は、試験担体上で前記ペプチドのインキュベーションおよび吸着により行うこともできる。
続いて、生体内において活性化すべき天然組織中の細胞と、その付着特性が対応することができる、選択された組織細胞培養物(例えば、骨芽細胞)の付着を、適当に被覆された表面上で調べる。付着試験のための適当な細胞培養物の選択の基準は、例えば、そのαvβ3/αvβ5またはαIIbβ3発現など、移植後、生体内の標的細胞と匹敵する一体化発現のパターンにあり、それは、αvβ3、αvβ5もしくはαIIbβ3インテグリンに対する、またはインテグリン受容体の、αv、αIIb、β3に対する、あるいはβ5サブユニットに対する蛍光標識化抗体により、蛍光活性化細胞ソーター(FACS)を用いて証明される。異なるインテグリン受容体パターンを有する生体内の他の標的細胞種の場合には、従って他の抗体を使用しなければならない。これらは、一方では既知かつ入手可能であり、あるいは、既知の標準的な方法、例えば、適当な免疫化により製造することができる。
種々の選択された細胞種が、検討下のペプチドで被覆されたBSA予備処理ポリスチレン培地表面上に接種およびインキュベートされる。その後、非付着性細胞は洗い流される。
本発明により定められる異なるペプチドで被覆した試験表面上における異なる選択された細胞種の結合特性が、陽性の場合、すなわち適当な特異性が存在する場合には、各場合において、接種細胞の約60〜100%の最大吸着比率を有する感染曲線と、および約5nM〜5μMの被覆溶液中のRGDペプチド濃度において、最大細胞数の半分が結合することが対応する。
同様にして、BSA予備被覆ポリスチレン表面への適当なペプチドの結合において説明したように、修飾または調節された生体材料表面への固定法に、種々の付着促進中間層を用いることも可能である
要約として、以下の事項を述べることができる。
従来技術のインプラントは、以下の短所を有する:
・組織内への不完全で遅いインプラントの一体化、
・組織内における限定された許容性、
・インプラント/組織境界層の不適当な機能的安定性、
・組織新生へのインプラントの刺激作用の欠如、
・インプラント表面の非生理学的な特性。
このさらなる問題の結果は:
・無菌インプラント弛緩(例えば、線維性カプセル形成)、
・微小血栓の局部的形成、
・感染、
・炎症、
・組織再吸収、
・修正手術である。
これらの問題は、本発明により利用できる方法またはそれにより製造されるインプラントにより大幅に取り除かれる。本発明の主題は次のように特色を示される:
・標的組織/標的細胞のインテグリン発現パターンに相補的である付着ペプチドの生成−測定設計;
・プロセスを阻害する細胞の付着を同時に引き起こすこと無く、組織新生を達成する標的細胞の細胞付着の選択的刺激;
・新規ペプチドアンカー分子による安定性のより高い被覆;
・組織内へのインプラント一体化プロセスの促進および向上。
ペプチド上の細胞認識配列と非被覆材料表面との間の臨界的立体絶対最小距離は2.0〜3.5nm、好ましくは2.5〜3.5nmの間であると示すことができた。3.0〜5.0nmの最小距離において、最大被覆率(80〜100%)を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
図1: αvβ3およびαvβ5インテグリンに対する蛍光共役抗体を用いたFACS(蛍光活性化細胞ソーター)による一次ヒト骨芽細胞のインテグリン組成の分析。
x軸:蛍光強度(カウント)
y軸:細胞カウント
M21:αvβ3およびαvβ5陽性対照
M21:αvβ3およびαvβ5陽性対照
HOB:一次ヒト骨芽細胞の培養物
ROB:一次ラット骨芽細胞の培養物
図2: BSAを介して種々のRGDペプチドで被覆したポリスチレン試験表面へのMC3T3H1骨芽細胞の付着。
x軸:被覆溶液中のRGDペプチド濃度(μM)
y軸:細胞被覆度(%)
上側曲線:シクロ-RGDfK NH-CO-CH2-CH2-S-(スルホSMPB)
「チオールペプチド1-SMPB誘導体」)、SMPB=スクシンイミジル 4-(p-マレイミドフェニル)酪酸;
中上曲線:シクロ-RGDfK NH-CO-CH2-CH2-CO-NH-CH2-CH2-S-(スルホSMPB)(「チオールペプチド2-SMPB誘導体」)、
中下曲線:シクロ-RGDVE CO-NH-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CO-NH-CH2-CH2-S-(スルホSMPB)(「チオールペプチド3-SMPB誘導体」)、
下側曲線:チオールペプチド対象:シクロ-RβADfK-NH-CO-CH2-CH2-S-(スルホSMPB)
図3: チオールペプチド1-SMPB誘導体で被覆した試験表面への骨芽細胞の付着(図2の脚注参照)
x軸:被覆溶液中のペプチド濃度(μM)
y軸:細胞被覆度(%)
上側曲線:MC3T3 H1マウス骨芽細胞
中上曲線:一次ヒト骨先祖細胞
中曲線:一次ヒト骨芽細胞
中下曲線:αvβ3陰性対照細胞M21L
下側曲線:一次ラット骨芽細胞
図4: チオールペプチド1-SMPP誘導体で被覆した試験表面への骨芽細胞の付着(被覆溶液中10μM)(図2を参照)
x軸:付着媒体中の溶解シクロ-RGDfK(分子アンカー無し)の濃度(μM)
y軸:細胞被覆度(%)
上側曲線:MC3T3 H1マウス骨芽細胞
中曲線:一次ヒト骨芽細胞
下側曲線:一次ラット骨芽細胞
図5: チオールペプチド1-SMPB誘導体で被覆した試験表面への骨芽細胞の付着(被覆溶液中10μM)(図2を参照)
x軸:接種細胞数/cm2
y軸:付着細胞数/cm2
上側曲線:一次ラット骨芽細胞
中曲線:MC3T3 H1マウス骨芽細胞
中下曲線:一次ヒト骨芽細胞
下側曲線:BSA陰性被覆
図6: チオールペプチド1-SMPB誘導体で被覆した試験表面への骨芽細胞の付着(被覆溶液中10μM)(図2を参照)
x軸:接種細胞数/cm2
y軸:算出した必要表面積/細胞(μm2
上側曲線:一次ヒト骨芽細胞
中曲線:MC3T3 H1マウス骨芽細胞
下側曲線:一次ラット骨芽細胞
図7: チオールペプチド1-SMPB誘導体で被覆した試験表面への骨芽細胞の付着(被覆溶液中10μM)(図2を参照)
x軸:時間(分)
y軸:細胞被覆度(%)
上側曲線:MC3T3 H1マウス骨芽細胞
中曲線:一次ヒト骨芽細胞
下側曲線:一次ラット骨芽細胞
図8: 種々のRGDペプチドで被覆した骨セメント−PMMA表面へのMC3T3 H1骨芽細胞の付着:
x軸:被覆溶液中のRGDペプチド濃度(μM)
y軸:細胞被覆度(%)
上側曲線:シクロ-RGDfK NH-CO-アクリレート誘導体(タイプ:iiia、アクリレートペプチド3)、
中上曲線:シクロ-RGDfK NH-CO-アクリレート誘導体(タイプ:iib、アクリレートペプチド2)、
中下曲線:シクロ-RGDfK NH-CO-アクリレート誘導体(タイプ:iiib、アクリレートペプチド4)、
下側曲線:シクロ-RGDfK NH-CO-アクリレート誘導体(タイプ:iia、アクリレートペプチド1)、
図9: 種々のRGDペプチドで被覆した多孔質PMMA/PHEMA表面へのMC3T3 H1骨芽細胞の付着:
x軸:被覆溶液中のRGDペプチド濃度(μM)
y軸:細胞被覆度(%)
上側曲線:シクロ-RGDfK NH-CO-アクリレート誘導体(タイプ:iiia、アクリレートペプチド3)、
中曲線:シクロ-RGDfK NH-CO-アクリレート誘導体(タイプ:iiib、アクリレートペプチド4)、
下側曲線:シクロ-RGDfK NH-CO-アクリレート誘導体(タイプ:iib、アクリレートペプチド2)、
図10: 種々のRGDペプチドで被覆した多孔質PMMA/Plex Y7H表面へのMC3T3 H1骨芽細胞の付着:
x軸:被覆溶液中のRGDペプチド濃度(μM)
y軸:細胞被覆度(%)
上側曲線:シクロ-RGDfK NH-CO-アクリレート誘導体(タイプ:iiia、アクリレートペプチド3)、
中曲線:シクロ-RGDfK NH-CO-アクリレート誘導体(タイプ:iiib、アクリレートペプチド4)、
下側曲線:シクロ-RGDfK NH-CO-アクリレート誘導体(タイプ:iib、アクリレートペプチド2)、
図11: 種々の分子長の種々のRGDペプチドで被覆した骨セメント-PMMAまたはポリスチレン-BSA-SMPB表面へのMC3T3 H1骨芽細胞の最大付着:
x軸: RGDペプチド分子長(nm)
y軸:最大被覆度(%)
図12: RGDペプチドシクロ-RGDfK NH-CO-アクリレート誘導体(タイプiiia、アクリレートペプチド3)で被覆したV4Aステンレススチール表面へのMC3T3 H1骨芽細胞の付着。ステンレススチール表面は、その一部分において、種々の方法で予め被覆しておいた。
x軸: 被覆溶液中のRGDペプチド濃度(μM)
y軸:細胞被覆度(%)
上側曲線:Kevloc▲R▼被覆、
中曲線:Silicoater▲R▼被覆、
下側曲線:顔料被覆、
図13: RGDペプチドシクロ-RGDfK NH-CO-アクリレート誘導体(タイプiiia、アクリレートペプチド3)で被覆した骨セメント-PMMA表面でのMC3T3 H1骨芽細胞の増殖。
x軸: 培養期間(日)
y軸:細胞カウント
上側曲線:被覆溶液中に100μMペプチド、
中上曲線:被覆溶液中に1μMペプチド、
中下曲線:被覆溶液中に0.1μMペプチド、
下側曲線:非被覆対照。
図14: RGDペプチドシクロ-RGDfK NH-CO-アクリレート誘導体(タイプiiia、アクリレートペプチド3)で被覆した骨セメント-PMMA表面へのMC3T3 H1骨芽細胞および血小板の付着。
x軸:100μM、10μMおよび1μMの種々の塗布溶液中ペプチド濃度を有する表面に接種された骨芽細胞単独および血小板単独
y軸:細胞カウント(405nmにおける吸収)
図15: RGDペプチドシクロ-RGDfKG NH-CO-アクリレート誘導体(タイプiiia、アクリレートペプチド5)で被覆した骨セメント-PMMA表面へのMC3T3 H1骨芽細胞および血小板の付着。
x軸:100μM、10μMおよび1μMの種々の塗布溶液中ペプチド濃度を有する表面に接種された骨芽細胞単独および血小板単独
y軸:細胞カウント(405nmにおける吸収)
図16: RGDペプチドシクロ-RGDfK NH-CO-アクリレート誘導体(タイプiiia、アクリレートペプチド3)で被覆した骨セメント-PMMA表面へのMC3T3 H1骨芽細胞、血小板および骨芽細胞/血小板混合物の付着。
x軸:100μMの塗布溶液中ペプチド濃度を有する表面に接種された骨芽細胞単独、血小板単独および骨芽細胞/血小板混合物
y軸:細胞カウント(405nmにおける吸収)
図17: RGDペプチドシクロ-RGDfKG NH-CO-アクリレート誘導体(タイプiiia、アクリレートペプチド5)で被覆した骨セメント-PMMA表面へのMC3T3 H1骨芽細胞、血小板および骨芽細胞/血小板混合物の付着。
x軸:100μMの塗布溶液中ペプチド濃度を有する表面に接種された骨芽細胞単独、血小板単独および骨芽細胞/血小板混合物
y軸:細胞カウント(405nmにおける吸収)
以下の実施例は、本発明をさらに説明するが、本発明を限定するものではない。
実施例1:
(a)アンカーメルカプトプロピオン酸を有するシクロ-RGDペプチド(Arg-Gly-Asp-DPhe-Lys)の合成(→シクロ-RGDfK NH-CO-チオール誘導体タイプ:ia)を、DE 1 95 38 741の方法に従って行った。生物学的に不活性な対応するシクロ-RβADfK誘導体ならびにアンカー分子を持たないシクロ-RGDfK誘導体の合成も、同様に行った。
(b)シクロ(R(Pbf)GD(tBu)fK(Z))(Pbf=ペンタメチルベンゾフランスルホニル;tBU=tert-ブチル)を、固相ペプチド合成(Merrifield著, Angew. Chem. 1985, 第97巻:801頁)およびその後の環化(例えば、Zimmerら著, 1993, Leibigs Ann. Chem:497頁による)により得た。標準的な方法でZ-保護基を選択的に除去した後、シクロ(R(Pbf)GD(tBu)fp[sa-K])とするため、ジメチルホルムアミド5ml中でシクロ(R(Pbf)GD(tBu)fK)0.1mmolの無水コハク酸(sa)0.2mmolとの反応によりリシン側鎖を延長できる。
(c)アンカーメルカプトエチルアミドコハク酸を持つシクロ-RGDペプチド(Arg-Gly-Asp-DPhe-Lys)の合成(→シクロ-RGDfK NH-CO-チオール誘導体 タイプ:ib=シクロ(RGDf[チオール-sa-K])を、以下のように行った:システアミン塩酸塩10mmolと等モル量(eq.)のトリフェニルメタノールとを60℃で氷酢酸に溶解し、攪拌下にBF3エーテレート1.1当量で処理した。50分間攪拌後、混合物を飽和NaHCO3溶液で中和し、酢酸エチルで抽出した。抽出物からの残留油状物をtert-ブタノールに溶解し、希塩酸でpH=2にして、塩酸塩に変え、凍結乾燥した。収率99%。このように得られた構造単位を、標準的な方法によって、EDClxHClを用いて、シクロ(R(Pbf)GD(tBu)fp[sa-K])に結合させ、側鎖の保護基を除去する。
(d)アンカーアクリルアミドヘキサン酸を有するシクロ-RGDペプチド(Arg-Gly-Asp-DPhe-Lys)の合成(→シクロ-RGDfK NH-CO-アクリル酸誘導体 タイプ:iia=シクロ(RGDf[アクリル-ahx-K])を、以下のように行った:
アクリルアンカーシステムを別途合成し、活性エステルとしてペプチド側鎖に結合させた。そのために、6-アミノヘキサン酸10mmolおよび水酸化カルシウム1.8当量を水中に懸濁させ、0℃で塩化アクリロイル1.2当量を添加した。不溶性水酸化カルシウムを濾去し、濾液を濃塩酸を用いてpH2の酸性にした。沈殿生成物を酢酸エチルから再結晶した。収率:65%。結晶性6-アクリルアミドヘキサン酸10mmolをジクロロメタン50ml中に懸濁させ、N-ヒドロキシスクシンイミド1当量で処理し、0℃でEDClxHClの1.2当量を添加した。1時間攪拌後、氷酢酸10μlを添加して反応を停止させた。これを氷、飽和炭酸ナトリウム溶液および水で数回抽出し、その抽出液を硫酸ナトリウムで乾燥した。収率:52%。ここに存在する活性エステルを、DMF中でシクロ(R(Pbf)GD(tBu)fK)に結合させ、側鎖保護基を標準的手順により除去した。
(e)アンカーアクリルアミドヘキサン酸−アミドヘキサン酸を有するシクロ-RGDペプチド(Arg-Gly-Asp-DPhe-Lys)の合成(→シクロ-RGDfK NH-CO-アクリル酸誘導体 タイプ:iib=シクロ(RGDf[アクリル-ahx-ahx-K])を、以下のように行った:
アクリルアンカーシステムの合成のために、アミノヘキサン酸10mmolを水性リン酸ナトリウム緩衝液(pH8)中に溶解し、0℃に冷却した。アクリルアミドヘキサン酸活性エステル2mmol((d)を参照)をエタノール/CHCl3に溶解し、ゆっくりと添加した。希NaOHを用いてpHを8に維持した。有機溶媒の留去後、水相を濃塩酸を用いてpH2.6の酸性にし、沈殿した固形物を濾去し、水洗し、五酸化リンで乾燥した。収率:70%。ここで存在するアクリルアンカーシステムを、既知の方法により、EDClxHClを用いてペプチド側鎖に結合させ、保護基を除去する。
(f)アンカーアクリルアミドヘキサン酸−アミドトリエチレングリコール酸を有するシクロ-RGDペプチド(Arg-Gly-Asp-DPhe-Lys)の合成(→シクロ-RGDfK NH-CO-アクリル酸誘導体 タイプ:iiia=シクロ(RGDf[アクリル-ahx-tEG-K])を、以下のように行った:
アクリルアンカーシステムを固相ペプチド合成により調製した(上記を参照)。末端構成要素として、アクリルアミドヘキサン酸(上記を参照)を結合させた。収率:97%。ここに存在するアクリルアンカーシステムを、既知の方法により、EDClxHClを用いてペプチド側鎖に結合させ、保護基を除去する。
(g)アンカーアクリルアミドヘキサン酸−アミドトリエチレングリコール酸−アミドトリエチレングリコール酸を有するシクロ-RGDペプチド(Arg-Gly-Asp-DPhe-Lys)の合成(→シクロ-RGDfK NH-CO-アクリル酸誘導体 タイプ:iiib=シクロ(RGDf[アクリル-ahx-tEG-tEGK])を、(f)と同様に行った。収率:85%。
(i)アンカーアクリルアミドヘキサン酸−アミドトリエチレングリコール酸を有するシクロ-RGDペプチド(Arg-Gly-Asp-DPhe-Lys)の合成(→シクロ-RGDfK NH-CO-アクリル酸誘導体 タイプ:iiia=シクロ(RGDf[アクリル-ahx-tEG-KG])を、(f)と同様に行った。収率:81%。
実施例2:
ウシ血清アルブミン(BSA)で予備被覆された、ポリスチレン培地表面へ、スルホスクシンイミジル 4-(p-マレイミドフェニル)酪酸を用いて、本発明によるペプチドの共有結合形成を、Singerら著, 1987, J. Cell. Biol., 第104巻:573頁あるいはRuoslahtiら著(1982, Methods. Enzymol., 第82巻:803〜831頁)の確立された方法に従って成し遂げた。
そのため、ポリスチレン上にBSA層を生成するため、48-ウエルプレート(Costar製、「非組織培地処理」、Art.No.3547)を、それぞれウエル当り250μlのPBS(リン酸緩衝食塩水)、pH=8.3, 2%BSAを用いて被覆し、室温で一晩インキュベートした。次に、プレートをウエル当り250μlのPBS、pH=8.3で洗い、100μg/mlのSMPBを含むPBS, pH8.3溶液各250μlで、室温で1時間インキュベートした。次に、各回毎にPBS, pH8.3を250μl用いて、ウエルの洗浄を三度行った。被覆溶液の調製のため、特定のチオール−RGDペプチドを、PBS, pH8.3中において以下の最終濃度となるように調製した:1nM、10nM、100nM、1μM、10μM、100μMおよび1mM。ウエル当り被覆溶液各250μlを添加した後、プレートを室温で一晩インキュベートし、その後、PBS, pH8.3で三度洗浄した。PBS, pH7.4中にBSA5%含有溶液各250μlを添加し、続いて室温で2時間インキュベートし、PBS, pH7.4で洗浄することにより、非特異的細胞結合部位をブロックした。被覆抑制のため陽性サンプルと同様にBSA5%含有溶液で処理したポリスチレン表面は、陰性被覆対照とした。次に、3つの異なる種から得られた4つの細胞培養物の付着を、RGDペプチドで被覆した上述の表面上で研究した:
・成人患者の大腿骨海綿体の頂部由来の一次ヒト骨芽細胞(Siggelkowら著, 1997, Bone, 第20巻:231頁);
・成人患者の骨髄由来の一次ヒト骨先祖細胞(Vilamitjana-Amedeeら著, 1993, In vitro Cell Dev. Biol., 第29巻:699頁);
・YagielaおよびWoodburyの方法に従って調製および培養したラット新生児の頭蓋冠由来の一次骨芽細胞(1977, The Anatomical Record, 第188巻:287〜305頁);
・マウス新生児の頭蓋冠から得られた骨芽細胞系MC3T3 H1(Heermeierら著, 1995, Cells and Materials, 第5巻:309〜321頁)、および
・αvβ3/αvβ5インテグリン陰性対照としてのヒト・メラノーマ・セル・ライン M21L。
これらの細胞種を付着実験に用いる前に、そのインテグリン発現を、Becton-Dickenson蛍光活性化細胞ソーター(FACS)を利用して、αvβ3またはαvβ5受容体に対するおよびインテグリンサブユニットαv、β3およびβ5に対する蛍光標識抗体により検証した。この場合、前記インテグリンの強い発現が見られた(図1)。
記載した細胞種を、接種密度48000細胞/cm2で、上述のように、RGDペプチドで被覆されたCostar-48ウエルプレートに接種し、次に、37℃、95%大気湿度および5%CO2の条件にて1時間インキュベートした。実験中に付着しなかった細胞は、PBS, pH7.4で二度洗い流した。
付着細胞の定量は、Landegrenの方法(1984, J. Immunol. Methods, 第67巻:379〜388頁)に従って、適当な検量曲線を用いて細胞酵素N-アセチルヘキソサミニダーゼの活性を決めることにより間接的に行った。
BSA予備処理ポリスチレン細胞培地表面を、αvβ3またはαvβ5選択的チオールペプチド1-、2-(スルホ-SMPB)誘導体で被覆することにより、培養されたマウスMC3T3 H1骨芽細胞の付着の強力かつ投与量依存的な刺激が導かれる(図2参照)。これと対象的に、生物学的不活性チオールペプチド対照は有意な効果はなく、その結果、インテグリン-RGDペプチド相互作用の高い選択性および高い特異性が示される。より劣ったαvβ3/αvβ5選択性のチオールペプチド3-(スルホ-SMPB)(シクロ-RGDVE-アミノシステイン−アミドヘキサン酸:Delforgeら著, 1996, Anal. Biochem., 第242巻, 180頁)も、対応するチオールペプチド1および2誘導体より、顕著に弱い効果を示すのみである。
チオールペプチド1-(スルホ-SMPB)誘導体またはチオールペプチド2-(スルホ-SMPB)誘導体で被覆されたBSA予備処理ポリスチレン表面への異なる細胞種の結合特性は、接種細胞の約70%(一次ラット骨芽細胞)、約80%(一次ヒト骨芽細胞および一次ヒト骨先祖細胞)および約90〜100%(MC3T3 H1マウス骨芽細胞)の最大吸着率の感染曲線、および被覆溶液中の濃度50〜1000nMで細胞最大数の半数がRGDペプチドと結合することに相当する(図3)。これと対称的に、αvβ3/αvβ5陰性対照細胞(M21L)は、なんらの有意な細胞付着を示さない。上述の細胞吸着速度は、用いられる全ての骨芽細胞培養に対して有意な細胞付着を全くもたらさない5%BSAで被覆した表面と比較して、約20〜40倍高められている。
前記の骨芽細胞培養の類似する挙動は、付着刺激効果は骨芽細胞に特異的であるものの、種に非依存的であることを確証する。
チオールペプチド1-スルホ-SMPB誘導体で被覆したBSA予備処理ポリスチレン表面への前記骨芽細胞培地の結合は、付着培地中に溶解した環式RGDfKを添加することにより完全に抑制することができる(図4)。この結果は、観察された細胞付着現象にはRGDペプチドのみが介在していることを証明している。
上記のチオールペプチド1,2(スルホ-SMPB)を被覆した、BSA予備処理されたポリスチレン表面上への一次ヒト骨芽細胞またはMC3T3 H1細胞の細胞付着の接種細胞数に対する依存性は、飽和曲線を描く(図5)。しかしながら、BSA陰性被覆上においては、有意な細胞付着は認められない。最大細胞接種密度の場合に計算した約200〜500μm2の付着細胞当り平均表面積は、この表面上において約15〜25μmの平均細胞-細胞間距離を与える(図6)。骨芽細胞直径は約10〜15μmであることからして、ペプチド被覆は、細胞が互いに直に隣接して配列される、骨芽細胞で密に被覆されている表面が達成され得るほど多数の細胞付着部位を利用可能とすることは明らかである。前記表面上への細胞付着プロセスの時間経過は、細胞型に依存するが、約45〜60分後には完成してしまう、迅速な細胞の付着を示している(図7)。セル・ライン(例えば、MC3T3 H1)は、ここでは、一次細胞培養(ヒト、ラット)よりもさらに迅速な付着速度を示す。用いた2つのチオールペプチド誘導体間における有意な相違は、これらの実験においては認めることはできない。
実施例3:
種々のアンカー分子長、すなわち、細胞認識のRGD配列と材料表面との間の距離の、骨芽細胞付着の程度への影響を研究するため、異なる分子スペーサー距離を具える、4つの異なるアクリレートRGDペプチド(シクロ-RGDfK NH-CO-アクリレート誘導体(タイプ:iia、iib、iiia、iiib)を調製した。
シクロRGDペプチドの合成を、実施例1の開示に従い、またはPlessら著, 1983, J. Biol. Chem., 第258巻:2340〜2349頁あるいはCurrathら著, 1992, Eur. J. Biochem., 第210巻:911〜921頁の工程に準じて行った。
これらのペプチドの対応するアンカー長は、凡そ、2.6nm(アクリレートペプチド1、タイプiia)、3.5nm(アクリレートペプチド2、タイプiib)、3.7nm(アクリレートペプチド3、タイプiiia)および4.2nm(アクリレートペプチド4、タイプiiib)であった。
重合されたPMMA(ポリメチルメタクリレート)表面へのこれらのペプチドの共有結合のため、多孔性を異する適当な造形品(直径:10mm;高さ:2mm)を3つの異なるPMMA成分から調製した。
・製品説明書(粉末40g+液体20ml)に対応する、PMMA基剤の骨セメント(Merck KGaA、ドイツ、認証番号5181.00.00)。
・粒径0.5〜0.6mmのPMMA/PHEMA(ポリヒドロキシエチルメタクリレート)粒子(Biomet製)10gを、HEMA溶液(68.6%HEMA、29.4%TEGMA[トリエチレングリコールジメタクリレート]、2%tBPB[tert-ブチルパーオキシベンゾエート])1.3mlと混合し、多孔質担体材料にこれを付着させた。
・粒破片0.7〜2mmのPMMA粒子(Plex Y7H、ローム、ドイツ)10gを、メチルメタクリレート(MMA)溶液(68.6%MMA、29.4%TEGMA、2%tBPB)1.5mlと混合し、多孔質担体材料にこれを用いて付着させた。
予め重合したPMMA成形品にアクリレートペプチドを共有結合させるために、アクリレートペプチド1、2、3および4の貯蔵溶液を、各の場合も、最終濃度が100μMとなるように、DMSO/0.2%カンファーキノン(w/v)中に溶解・調製した。さらに、イソプロパノール/0.2%カンファーキノン(w/v)で希釈することにより、各の場合にも、0.1nM、1nM、10nM、100nM、1μMおよび10μMの最終ペプチド濃度となる一連の濃度を調製した。成形品を日照下、室温で2時間インキュベートし、4℃で乾燥状態で貯蔵した。使用前に、サンプルは、非結合ペプチドを除去するため、PBS, pH7.4で洗浄して、PBS, pH7.4中にて4℃で一晩放置した。
成形品当りPBS, pH7.4のBSA5%添加溶液各250μlを添加し、続いて室温で2時間インキュベーションし、PBS, pH7.4で1回洗浄することにより、非特異的細胞結合部位をブロックした。
ペプチド溶液に代えて、イソプロパノール/0.2%カンファーキノン(w/v)の溶液で処理したPMMA成形品を、陰性対照とした。
続いて、マウス新生児の頭蓋冠から得られたMC3T3 H1系の骨芽細胞(Heermeierら著, 1995, Cells and Materials, 第5巻:309〜321頁)の上記ペプチド被覆表面への付着を調べた。
MC3T3 H1骨芽細胞を、前述したように、Costar48-ウエルプレート中に、RGDペプチドで被覆したPMMA成形品と共に、接種密度48,000細胞/cm2で接種し、37℃、95%大気湿度および5%CO2の条件で1時間インキュベートした。実験中に付着しなかった細胞を、PBS, pH7.4で二度洗浄した。
付着細胞の定量は、Landegrenの方法(1984, J. Immunol. Methods, 第67巻:379〜388頁)に従って、適当な検量曲線を用いて細胞酵素N-アセチルヘキソサミニダーゼの活性を決めることにより間接的に行った。
前記アクリレートRGDペプチド1(タイプiia)、2(タイプiib)、3(タイプiiia)および4(タイプiiib)で被覆された異なるPMMA成形品へのMC3T3 H1骨芽細胞の結合特性は、各の場合とも、感染曲線に対応する。最大吸着率は、アクリレートペプチド1については約20%、およびアクリレートペプチド2、3および4については約80〜100%である。細胞最大数の半数の結合は、アクリレートペプチド2、3および4について、約1〜10,000nMの被覆溶液中のRGDペプチド濃度において起こっている。
RGDペプチドを被覆した骨セメント造形品上への前記の細胞付着率は、非被覆表面と比較して、約1.5倍(アクリレートペプチド1)および約5〜15倍(アクリレートペプチド2、3および)増加されている(図8)。
RGDペプチドを被覆した多孔質PMMA/PHEMA粒子造形品上への前記の細胞付着率は、非被覆表面と比較して、約2〜5倍(アクリレートペプチド2、3および4)増加されている(図9)。
RGDペプチドを被覆した多孔質Plex Y7H粒子造形品上への前記の細胞付着率は、非被覆表面と比較して、約2〜3倍(アクリレートペプチド2、3および4)増加されている(図10)。
PMMA/PHEMAあるいはPMMA-Plex Y7Hサンプルについては、PMMA骨セメント造形品についてよりも、細胞付着値のより大きな変動幅と、RGDペプチドを被覆したサンプルへは一定の最大付着率であるものの、被覆対照サンプルへの骨芽細胞のより強い付着の両方が観察される。
アクリレートペプチド2、3および4について、相互の比較、ならびに試験BSA対照上に被覆したチオールペプチド1および2との比較の双方において、細胞付着の非常に類似した刺激が観察されるが、最も短いペプチド、アクリレートペプチド1は殆ど不活性である。このことから、立体的に満足できる細胞付着を行い得るためには、RGD細胞認識配列と材料表面との間に、約2.5〜3.5nmの臨界最小距離が必要であると結論することができる(図11)。
骨セメントPMMAキャリア上のアクリレートペプチド3のより高い活性は、分子長ならびに、任意の親水性/疎水性分布またはスペーサーの比の双方ともに関して、細胞付着に最適な分子構造を指し示している。
実施例4
ペプチド被覆した金属表面への骨芽細胞の細胞付着を試験するため、V4Aステンレススチール造形物品(7×7×1mm3)は、3つの異なる被覆改変を施し、各の場合も、その後RGDペプチドで被覆した。このため、先ず、ステンレススチール造形物品を、清浄化のため、超音波浴中にて60℃で15分間インキュベートし、脱イオン水でリンスをし、アセトン中で30分間インキュベートし、再度脱イオン水でリンスし、乾燥のために60℃で24時間インキュベートした。
その後、3つの改変によりステンレススチール小板を被覆した。
a.Kevloc ▲R▼ プロセス(Heraeus Kulzer GmbH、ヴェールハイム、ドイツ):
Kevloc▲R▼プライマー溶液を、薄く塗布し、室温で3分間インキュベートした。次に、Kevloc▲R▼ボンド溶液を、同様に薄く塗布し、炉内にて180℃で20分間活性化した。
この被覆変形は、金属表面上に利用可能な遊離アクリル酸基を直接作成するので、次に、重合PMMA骨セメントについて実施例3において記載したように、アクリレートペプチド3,タイプiiiaを直接共有結合させることが可能となった。
b.Silicoater ▲R▼ プロセス(Heraeus Kulzer GmbH、ヴェールハイム、ドイツ):
Siliseal▲R▼溶液を、薄く塗布し、室温で5分間乾燥した。次に、Sililink溶液を、同様に薄く塗布し、炉内にて320℃で3分間活性化した。
被覆金属表面上に利用可能なアクリル酸基を作成するため、予備処理ステンレススチール造形品を、75℃に加熱された脱イオン水中に浸漬し、NaOHを用いてpHを約8.00に調節した。次に、1%の3-メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン溶液(Huels AG、ドイツ)を、約6.50のpHが達成されるまで攪拌下に1時間かかって滴下した。次に、混合物を75℃で1時間攪拌した;この時、pHは約6.35であった。
重合PMMA骨セメントのために実施例3に記載したように、アクリレートペプチド3,タイプiiiaの結合を行った。
c.顔料被覆(Merck KGaA、ダルムシュタット、ドイツ)
この被覆変形は、自動車およびプラスチック産業における金属およびプラスチックのための水系被覆システム用の真珠光沢顔料の被覆のための技術的教示を元来説明するものであるDE-A 4321005に記載のシラン化プロセスにより行った。
このため、ステンレススチール造形品を、75℃に加熱された脱イオン水中に浸漬し、NaOHを用いてpHを約8.00に調節し、AlCl3溶液を攪拌下に2時間かけて滴下した。次に、5%珪酸ナトリウム溶液を同様に攪拌下に2時間かけて滴下した。以下の工程において、1%の3-メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン溶液(Huels AG、ドイツ)を、攪拌下に1時間かけて滴下した。次に、混合物を75℃で1時間攪拌した;この時、pHは約6.40であった。
重合PMMA骨セメントのために実施例3に記載したように、アクリレートペプチド3,タイプiiiaの結合を行った。
3つの異なる方法によりステンレススチール造形品をアクリレートペプチド3,タイプiiiaで被覆した後、MC3T3 H1系の骨芽細胞の付着を調べた。このために、実施例3に記載の手順を用いた。
3つの異なる方法を用いて予備処理し、前記アクリレートペプチド3で被覆したV4Aステンレススチール造形品へのMC3T3 H1骨芽細胞の結合特性は、各場合も、感染曲線に対応している(図12)。
最大付着率は、顔料被覆について約60%、およびKevloc▲R▼またはSilicoater▲R▼方法について約80%であった。細胞最大数の半分の結合が、3つ全ての被覆変形について約1〜100nMの被覆溶液中RGDペプチド濃度で起こる。RGDペプチド被覆ステンレススチール造形品上での前記の細胞付着率は、非被覆対照と比較して約3〜8倍増加されている。
Kevloc▲R▼またはSilicoater▲R▼方法について、追加的に、各場合において、1つの被覆溶液(Kevloc▲R▼プライマー単独、Kevloc▲R▼ボンド単独、Siliseal▲R▼単独、Sililink▲R▼単独)のみを用いて、被覆を形成した。この場合、それぞれの二重被覆(Kevloc▲R▼プライマー/ボンド、Siliseal▲R▼/Sililink▲R▼)と比較して、細胞付着になんら有意な相違は観察されなかった。
実施例5:
骨芽細胞付着のみならず、RGDペプチド表面上での増殖をも補足的に研究するため、手順を、以下のようにした:
アクリレートペプチド3、タイプiiiaの重合PMMA骨セメント造形品への共有結合のために、実施例3に記載される被覆方法を選択した。
次に、48,000細胞/cm2の代わりに12,000細胞/cm2を接種し、付着時間を1時間の代わりに2時間とする、2つの変更点はあるものの、MC3T3 H1マウス骨芽細胞を、実施例3と同様にしてRGCペプチド被覆骨セメント造形品に付着させた。さらに、被覆溶液中、0.01μM、1μMおよび100μMの3つの異なるペプチド濃度についても、調べた。
非付着細胞を洗い流した後、MC3T3 H1骨芽細胞を、血清含有(10%)培地中で、95%大気湿度、5%CO2、37℃の条件下に15日間培養した。この期間中、1週間当り培地を2回交換し、1、2、3、4、5、10および15日後に、Boehringer Mannheim社(ドイツ)のWST-1試験により細胞カウントを決めた。各場合に、培養骨芽細胞の細胞増殖の典型的な対数期がここでは見られた(図13)。最大達成細胞カウントは、被覆溶液中のRGDペプチド濃度に直接依存していた。すなわち、15日培養した後、1cm2当り約1,000,000細胞(100μMペプチド)、約550,000細胞(1μMペプチド)、約300,000細胞(0.01μMペプチド)または約230,000細胞(ペプチド無しの対照)が達成された。つまり、100μMの最も高いペプチド濃度において、非被覆サンプルと比較して、細胞増殖に約4〜5倍の増加が観察された。
実施例6:
異なる細胞種の付着を刺激するべく、局部的に分化した生物学的活性な被覆パターンを有するインプラントを得るための異なる細胞選択性のRGDペプチドによる材料被覆のために用いた原型は、重合したPMMA骨セメント造形品であった。これに、異なる細胞選択性の2つのRGDペプチドを共有結合させた。この場合、αvβ3/αvβ5インテグリン担持骨芽細胞への選択性を有するアクリレートペプチド3、タイプiiia、およびαIIIbβ3陽性結晶板への選択性を有するアクリレートペプチド5、タイプiiiaを、実施例3で記載したようにPMMA造形品に結合させた。
a. 最初の実験においては、PMMA造形品を、夫々100μM、10μMおよび1μMの被覆溶液中濃度において、アクリレートペプチド3および5で被覆した。次に、これらのRGDペプチド被覆部材を、骨芽細胞および血小板と並行して接種し、その細胞付着を決めた。
MC3T3 H1骨芽細胞(350,000細胞/cm2)およびヒト血小板(50,000,000細胞/cm2)を、アクリレートペプチド3でおよびアクリレートペプチド5で被覆したPMMA造形品上に並行して接種し、その細胞付着を実施例3に記載に従って決めた。
ShattilおよびBrass(J. Biol. Chem., 第262巻:992〜1000頁, 1987)の方法に従ってヒト血小板を調製した。この実験により、2つのRGDペプチドの細胞選択性を検証することができた。
αvβ3/αvβ5陽性骨芽細胞が、αvβ3/αvβ5陰性血小板と比べると、アクリレートペプチド3(αvβ3/αvβ5選択的な)被覆PMMA造形品に優先的に付着した(図14)。ここで、骨芽細胞について、約6.0(被覆溶液中に100μMペプチド)、約2.0(10μMペプチド)または約1.8(1μMペプチド)の換算したAbs(405nm)が、見出された。しかしながら、血小板については、約3.0Abs(被覆溶液中に100μMペプチド)、約1.5Abs(10μMペプチド)または約0.2Abs(1μMペプチド)の非常に低い細胞付着値が見られた。しかしながら、アクリレートペプチド5(αIIIbβ3選択的な)被覆PMMA造形品では、逆の結果が見られた。この場合、αvβ3/αvβ5陽性血小板は、αIIbβ3陰性骨芽細胞と比べると、優先的に付着した(図15)。
ここで、血小板について、約4.0(被覆溶液中に100μMペプチド)、約0.5(10μMペプチド)または約0.2(1μMペプチド)の計算Abs(405nm)が見られた。しかしながら、骨芽細胞については、約1.5Abs(被覆溶液中に100μMペプチド)、約1.0Abs(10μMペプチド)または約0.2Abs(1μMペプチド)の非常に低い細胞付着値が見られた。
b. 第2の実験においても、PMMA造形品を、夫々の被覆溶液中濃度を100μMのみではあるが、アクリレートペプチド3および5で同様に被覆した。次に、これらのRGDペプチド被覆した部材を、骨芽細胞、血小板または骨芽細胞/血小板混合物と並行して接種し、その細胞付着を求めた。MC3T3 H1骨芽細胞(350,000細胞/cm2)、ヒト血小板(50,000,000細胞/cm2)および細胞混合物(350,000骨芽細胞/cm2ならびに50,O00,000血小板/cm2)を、アクリレートペプチド3でおよびアクリレートペプチド5で被覆したPMMA造形品上に並行して接種し、その細胞付着を、実施例3に記載に従って決めた。
αvβ3/αvβ5陽性骨芽細胞(約6.0Abs)は、αvβ3/αvβ5陰性血小板(約3.0Abs)と比べると、アクリレートペプチド3被覆PMMA造形品に優先的に付着した(図16)。両方の細胞種を混合物として接種すると、骨芽細胞のみの結果(約6.5Abs)にほぼ相当する結果が得られた。
しかしながら、アクリレートペプチド5(αIIbβ3選択的な)被覆PMMA造形品については、逆の結果が見られた。ここで、αIIbβ3陽性血小板(約4.0Abs)は、αIIbβ3陰性骨芽細胞(約1.5Abs)と比べると、優先的に付着した(図17)。両方の細胞種を混合物として接種すると、血小板と骨芽細胞についての個々の結果の合計(約6.5Abs)に略相当する結果が得られた。
これらの結果は、種々の細胞選択的なRGDペプチドによるインプラント表面の被覆を、選択細胞種の好ましい付着を媒介するインプラントの生成のために用いることができる。この場合、骨芽細胞と血小板との比較は次のことを示している:
・インテグリン選択的なRGDペプチドによる表面被覆が、これらの特別インテグリンを有さないまたは僅かな程度にしか有さない細胞と比較して、相補的なインテグリンの追加を有するこれらの細胞種の付着を著しく刺激することができる。
・この効果は、生体内状態と極めて近い、細胞混合物を用いた場合にも維持される。
The present invention relates to implants of general properties for the human and animal bodies that are coated with a peptide that can selectively mediate the attachment of specific cells in the specific environment of the implant. In particular, the present invention relates to implants coated with RGD peptides and methods for their preparation.
The present invention specifically targets the surface coating of general biomaterials and implants for the purpose of promoting tissue selective enhanced integration after surgical insertion into the appropriate tissue. Based on the principle of cell type attachment stimulation.
In this way, the various surface parts of the implant can be coated and utilized with various peptides that mediate cell attachment, particularly RGD peptides, taking into account the specific tissue environment into which the implant is inserted. can do.
In this method, in addition, with respect to tissue processing, the generation of “informatized” biohybrid organs with biological information for organ regeneration can be achieved by different peptides that occupy different areas of the implant surface, and are specific to different cell types It is also possible to use self-formation by a method of mechanical activation.
Hereinafter, the term “peptide of the present invention” includes all peptides that can mediate cell attachment unless otherwise stated or appended. Among these, in particular, an arginine (R), glycine (G), and aspartic acid (D) amino acid sequence (RGD peptide) is considered. Examples of suitable RGD peptides as well as suitable peptides that do not include RGD will be further referred to later. In addition, similar peptides that do not contain the RGD sequence but nevertheless affect cell attachment are also included. In the broadest concept, the present invention also includes non-peptide compounds that qualitatively have the same biological activity as the peptide compound.
In the context of the present invention, a biomaterial or implant is defined as a material that can be introduced into the human or animal body to restore the function of the corresponding naturally damaged tissue. These include, for example, hip internal prosthetic organs, artificial knee joints, jaw implants, alternative tendons, alternative skins, artificial blood vessels, cardiac pacemakers, artificial heart valves, chest implants, stents, catheters and shunts.
Implant integrity in the body has been found to still have problems. Tissue integration of materials often proceeds too slowly and too incompletely to obtain sufficient mechanical stability of the tissue / biomaterial bond to perform its function. Due to its poor interfacial or biocompatibility, the composition of the implant surface that prevents active absorption of the surrounding healthy tissue or cells often causes this. This complicates the formation of a stable tissue-implant boundary layer and causes incomplete tissue integration, which turns around and relaxes, tissue reabsorption, infection, inflammation, allergies, microthrombosis ( Cause restenosis). As a result, corrective and new surgical interventions for replacement of implants (eg, hip endoprostheses, jaw implants, catheters and extraosseous fixation) are required (Malchau and Herberts, 1996, Prognosis of the Total Hip Arthoplasty, Vol. 63. Annual Meeting of the American Academy of Orthopedic Surgeons, Atlanta; Haddad et al., 1996, The Journal of Bone and Joint Surgery, Vol. , Pin Tract Infections).
Furthermore, especially in hip endoprostheses, so-called sterile implant relaxation occurs where bone cells and tissue do not form a direct bond to the biomaterial as desired, but instead fibroblasts and connective tissue occur as interfering elements. It turns out to be a problem. As a result, the prosthesis is associated with connective tissue instead of bone tissue, so that the stability of the prosthesis-connective tissue tissue bond is not sufficient to meet the mechanical requirements for force transmission at the hip prosthesis. Is. Eventually, this leads to relaxation of the prosthesis (Pilliar et al., 1986, Clin. Orthop., 208: 108-113), which also requires corrective surgery. A further example of an undesirable cell type that attaches to implants is platelets, which also induces microthrombus formation and inhibition of implant integration (Phillips et al., 1991, Cell, Vol. 65, 359).
The lack of ability to integrate biomaterials or implants into the body has a particularly serious impact in the case of fully replacement organs, as different cell types come into contact with the implant and the required integrity is targeted. In order to avoid extremely complicated transplantation procedures with the help of other patients, in the field of tissue processing, for example, so-called biohybrid organs consisting of carrier materials that are covered with living cells and can be transplanted as functional units With more and more attempts are being made to achieve treatment of functional disorders of the liver, pancreas, kidney and spleen. In most cases, for this purpose, functional healthy cells are included in or encapsulated in a resorbable or non-resorbable membrane in vitro and then delivered to the patient as an artificial biohybrid or virtual organ. Transplanted (eg: Lim et al., 1980, Science, 210, 908-912; Altman et al., 1982, Horm. Met. Res. Suppl., 12, 43-45; Zekorn et al., 1989 , Transplantation Proceedings, Vol. 21, 2748-2750; Altman et al., 1982, Horm. Met. Res. Suppl., Vol. 12, pp. 43-45: EP 0 504 781 B1). However, here too, problems such as fibrosis with a lack of nutrient supply to the graft, immune defense reaction due to cell release from the capsule, and thrombus formation due to blood clotting ability on the material surface are very frequent. To happen.
It is known to cause biointegration / implant tissue integration by coating it with a peptide that mediates cell attachment. To this end, on the one hand, a peptide comprising the tripeptide amino acid sequence arginine-glycine-aspartic acid (RGD), or a non-peptide analogue thereof, and on the other hand, a non-RGD-containing peptide that mediates cell attachment (e.g. Or non-peptide analogs thereof, as is known, are integral components of many proteins, especially extracellular matrices (eg, collagen type I, fibronectin, laminin, vitronectin, entactin, osteopontin, thrombosponge Or the blood coagulation cascade (fibrinogen, von Willebrand factor) functions as a central recognition pattern for eukaryotic cell attachment (eg: Pierschbacher and Ruoslahti, 1984, Nature, 309: 30) ~ 33; Yamada, 1991, J. Biol. Chem., 266: 12809-12812 . The sequences defined by the present invention are recognized and bound by integrins, which are receptors on the cell surface. Since cell attachment to the corresponding proteins is mediated by a number of different integrins, the integrin expression pattern of the cell type is critical for the attachment properties to these proteins. Generation of most short-chain peptides with appropriate sequences that can selectively and specifically bind only to specific integrins—measurement design and synthesis targets and activates only those cell types that express these integrins Make it possible to do. That is, for example, undesirable cell types such as αIIbβThreeIt is not possible to stimulate the adhesion of the loaded platelets at the same time, αvSelectively binds to the integrin receptor, ie αvβThree/ ΑvβFiveRGD peptides that can selectively stimulate the binding (adhesion) of carrier cells (osteoblasts, osteoclasts, endothelial cells) are known (Haubner et al., 1996, Vol. 7, Am. Chem. Soc. 118: 7461). In contrast, other RGD peptides show the opposite effect, αIIbβThreeIt selectively binds to the integrin receptor, that is, for example, exhibits selectivity for platelets (Phillips et al., 1991, Cell Vol. 65, p. 359).
In the present invention, it is known to attach a peptide obtained by synthesis to the surface of an implant. In this case, the peptide is more or less attached to the surface by adsorption or by covalent bonds. For example, DE 1 97 06 667 describes biomaterials for bone replacement members based on porous polymer materials having a surface coating of peptides having the RGD amino acid sequence by adsorption. WO 91-05036 further discloses a prosthesis made of metal, in particular titanium or a titanium alloy, in particular a peptide which may also have the RGD sequence is covalently bound to its surface. Valentini et al. (1997, May, Transactions of the 23rd Annual Meeting of the Society for Bomaterials, New Orleans, USA) describe the covalent attachment of RGD peptides to titanium screws with fluorinated ethylene propylene interlayers. Yes. Rezania et al. Reported a silicon dioxide or titanium dioxide surface coated with an amino-functional organosilane by a covalent bond at the same annual meeting, and eventually covalently bound a thiol-containing RGD peptide with a heterobifunctional crosslinker Has been achieved.
However, these technical solutions address implants that are specifically coated on the surface with a peptide as defined by the present invention, prepared to selectively match the particular cell type of the tissue surrounding the implant in question. Or it does not answer the request to make biomaterials available.
Therefore, after inserting the implant into the body, these tissues or cells that need to function actively with them, such as bone cells in hip endoprostheses or epithelial cells for skin, hair or tooth replacement Species are each arranged exclusively or selectively for their tissue integration and at the same time interfere with this process, such as platelets or fibroblasts that promote the formation of thrombus or connective tissue capsules, for example. It is desirable that the cell type can modify the biomaterial so that it is prevented from undergoing selective interaction with the implant.
Furthermore, according to the present invention, which exclusively or at least preferentially stimulates the attachment of these selected cell types that retain the corresponding complementary integrin, resulting in the promotion of in vivo synthesis of the corresponding selected tissue. It is a desirable and attractive method to coat an implant with a defined peptide (or non-peptide analog thereof).
With respect to the development of complete biohybrid organs (skin, blood vessels, urinary tract, bladder, esophagus, pancreas, liver, spleen, kidney), it is targeted and spatially limited so that different cellular in vivo processes can be performed. And, as desired, the various cell-selective peptides defined by the present invention activate the various cell types desired for each specific organ case by coating different surface parts of the implant. Getting is a decisive advance.
The present invention now mainly stimulates the attachment of cell types that will complete the tissue integration of the corresponding biomaterial in each case, while at the same time cell types that are contrary to the process in the test tube. By coating with a synthetic, cell- or tissue-selective RGD peptide as defined by the present invention that does not well stimulate the attachment of all biomaterials for organs, especially implants Describe the possibility of adding biological functions. By using such a coating, an accelerated and improved integration of various biomaterials / implants can be achieved with improved long-term stability after insertion into the body.
Furthermore, using this idea of coating different material surface parts of the implant with different peptides defined by the present invention, all possibilities appear in the development of “informatized” biohybrid organs (“tissue processing”). , It can carry biological information for the selective activation of various target tissues or target cells and can therefore be integrated into the body by self-organization, in this sense Can improve or even enable it for the first time.
That is, the present invention essentially comprises a carrier matrix and a sequence that recognizes a binding site on an integrin receptor that governs attachment on human or animal cells, and the target human or animal somatic cell. An implant suitable for different human and animal organs comprising a peptide coating surrounding the matrix, comprising the same or different peptides for adhesion stimulation, wherein the carrier matrix is an appropriate functional reaction of the peptide layer Implants into cells derived from cell attachment stimulating activity, which has a reactive group capable of binding on the surface, capable of forming a stable covalent bond with the functional group and related to its corresponding different structure In the specific region in which they are to be inserted, the pattern and specificity of the natural different complementary integrins of the tissue cells adjacent to them In which the peptide is locally distributed in different ways on the surface of the implant so that a locally differentiated, selective, biologically active coating pattern of the implant surface exists. It is related with the implant characterized by being.
The present invention further provides an organ / tissue based on an inorganic carrier matrix having a surface coated with a cell adhesion stimulating peptide that is selective for the complementary integrin pattern of tissue cells immediately adjacent to the implant. A method for preparing a suitable implant, known per se, (i) determining in vitro integrin receptor structures of target cells or target tissues into which the implant is introduced in vivo; (ii) It relates to a method comprising selecting or synthesizing a peptide having an appropriate complementary structure, and (iii) binding the peptide to an appropriate surface of an implant.
In particular, the invention relates to methods and implants / biomaterials having the following characteristics: said peptides, in particular RGD peptides, are optionally shared via branched, surface-enhancing molecules and / or molecular anchors. Attached to the implant surface by bonding; preferably αvβThree/ ΑvβFiveRGD that can stimulate carrier cells, i.e., in particular, can stimulate the attachment of, for example, osteoblasts, osteoclasts, endothelial cells, but cannot stimulate the attachment of platelets or fibroblasts at the same time Peptides are used; the carrier matrix used is a ceramic, polymeric material or metal shaped or non-shaped site, or a biohybrid or virtual organ.
At the molecular level, the peptides defined by the present invention are essentially designed from the following elements:
An amino acid sequence suitable for attachment that selectively recognizes and binds to a selected cell type (eg, the RGD sequence) carrying domain;
A spacer for presenting cell recognition and recognition sequence-carrying domains to cells so that cell binding is possible only from a steric point of view,
A molecular anchor for stable binding of the peptide derivative to the biomaterial or implant surface,
-Prior to binding to the surface of the biomaterial, cell attachment is arbitrarily increased by binding the peptide defined by the present invention to a branched molecular structure (so-called dendrimer or tentakel) that exerts an effect of expanding the surface area. Can be made.
The surface of the biomaterial or implant is to be understood in the context of the present invention not only as the immediate surface of the carrier matrix, but also as a further coating which may be, for example, a polymer material, natural or artificial bone material, protein or protein derivative. It is.
Suitable carrier matrices are in particular members made of ceramic, metal, polymeric material (eg PMMA) or preferably resorbable bone replacement material. Recovery of the initial tissue state can be achieved, for example resorbable or biodegradable materials consisting of polylactides, in particular racemic D, L polylactide compounds or resorbable calcium phosphate or hydroxyapatite mixtures, and for example WO 96 / Particularly suitable are materials as disclosed in 36562 or EP 0 543 765. Depending on the field of use, collagen or agar may also be suitable as a carrier matrix.
The term “biohybrid organ” is understood to mean a normal inorganic matrix to which biological cells have been added or bound in any way (see above). In the present invention, this does not include cells or includes only different types of corresponding peptides defined by the present invention on different implant surface portions, and selectively inserts surrounding cells when inserted into a defective tissue. It is also understood to mean the corresponding sequence that can be activated. The advantage of such cellular biohybrid organs is that “informatized” biocompatible implants that can be manufactured in a cost-effective and controllable manner carry biological information for organ regeneration It is. Secondly, the integration of such biohybrid organs into the body, eg, self-reliant by an endogenous regenerative process that can avoid immune defense reactions that frequently occur due to transplanted foreign cells or foreign proteins. Completed by configuration.
In accordance with the present invention, the implant generally takes the form of a shaped body or prosthesis, where the shaped body is prepared to fit a particular tissue / bone defect. In the case of a biohybrid organ, the prosthesis is a membrane or coating coated with or without corresponding cells, and a peptide as defined by the present invention, as well as others such as disclosed in eg EP 0 504 781 It can only be configured by an array.
Suitable peptides that can be used in the present invention include all peptides and non-peptides that contain regions or amino acid sequences that govern cell attachment and that can be bound to the implant surface via peptide and non-peptide substitutes. It is a compound having a peptide substitute. In particular, possible corresponding peptides are those having the RGD sequence.
The following list of preferred peptides and peptide compounds is intended to be merely exemplary but not of any limiting nature, and the following abbreviations are used:
AsP (D) = aspartic acid
Gly (G) = Glycine
Arg (R) = Arginine
Tyr (Y) = tyrosine
Ser (S) = Serine
Phe (F) = Phenylalanine
Lys (K) = Lysine
DPhe (f) = D-phenylalanine
Pro (P) = Proline
Leu (L) = Leucine
Ile (I) = isoleucine
Val (I) = Valine
Glu (E) = glutamic acid
Thre (T) = Threonine
Ala (A) = Alanine
(A) Examples of suitable RGD-containing peptides:
RGD (Arg-Gly-Asp),
GRGD (Gly-Arg-Gly-Asp),
GRGDY (Gly-Arg-Gly-Asp-Tyr),
RGDS (Arg-Gly-Asp-Ser),
GRGDS (Gly-Arg-Gly-Asp-Ser),
RGDF (Arg-Gly-Asp-Phe),
GRGDF (Gly-Arg-Gly-Asp-Phe),
Cyclo-RGDfK (Arg-Gly-Asp-DPhe-Lysine),
Cyclo-RGDfKG (Arg-Gly-Asp-DPhe-Lys-Gly).
(B) Examples of suitable non-RGD containing peptides:
LDV (Leu-Asp-Val),
LGTIPG (Leu-Glu-Thr-Ile-Pro-Gly),
REDV (Arg-Glu-Asp-Val),
IKVAV (Ile-Lys-Val-Ala-Val),
YIGSRG (Tyr-Ile-Gly-Ser-Arg-Gly),
LRE (Leu-Arg-Glu),
PDSGR (Pro-Asp-Ser-Gly-Arg),
DGEA (Asp-Gly-Glu-Ala),
RYVVLPR (Arg-Tyr-Val-Val-Leu-Pro-Arg).
The peptides defined by the present invention may be either linear or cyclic. The peptides and peptide sequences described above may be present in longer peptides having a total of about 4-20 amino acids, depending on the peptide of the invention selected. Similarly, amino acids that adopt the D or L configuration or are C- and / or N-alkylated are also included in the invention. According to the invention, a cyclic peptide is taken to mean a peptide that closes to form a ring via an amide bond and preferably has no free carboxyl or amino group in the molecule. In the present invention, RGD peptides, particularly those selected from the above list, are particularly preferred, and among these, a cyclic one is disclosed in DE-A-1 95 38 741, and osteoblasts The pentapeptide RGDfK, which is specific for, and the hexapeptide RGDfKG, which also exists in its cyclic state and is specific for platelets, are preferred.
Corresponding linear and cyclic peptides defined by the present invention are disclosed, for example, in the following patent applications: EP 0 632 053, EP 0 655 462, EP 0 578 083, EP 0 770 622, DE 1 95 38 741 ing. In particular, αvβThree/ ΑvβFiveAlthough it selectively binds to integrin-expressing cell types (eg, osteoblasts, osteoclasts, endothelial cells), for example, αIIbβThreePeptides that do not bind simultaneously to the carrier cell type (eg, platelets) are preferred. Peptides and corresponding derivatives can be readily synthesized by standard methods if not otherwise obtained.
In principle, the peptides defined by the present invention can be attached to the surface of a biomaterial by adsorption or covalent bonding. The adsorption method can be applied to a plurality of different peptides for one and the same implant, as the locally selective different coating of the surface in the present invention can only be done in an almost unsatisfactory manner using this technique. Is not very suitable.
The binding of peptides or their non-peptide analogues to the carrier surface, mainly by covalent bonds, mainly using so-called molecular anchors, is well known per se and is described, for example, by Singer et al. (1987, J. Cell. Biol., 104, 573); Brandley, Schnaar (1989, Develop. Biol., 135, 74); Massia, Hubbell (1990, Anal. Biochem., 187) Hirano et al. (1991, J. Biomed. Mat. Res., 25: 1523); Lin et al. (1992, Biomaterials, 13: 905); Nicol et al. (1992, J. Biomed. Mat. Res., 26: 393); Dee et al. (1995, Tissue Engin., 1: 135), but in this case, the covering of the implant is common. In particular, any method can be used.
Furthermore, the present invention has been applied for the first time in the present invention, for example for the binding of said peptides (or non-peptide analogues thereof) to a surface comprising an acryloyl or methacryloyl anchor moiety.▲ R ▼”Process (EP 0 712 621) or generally via an acryloyl / methacryloylsilane derivative intermediate layer (eg 3-methacryl-oxypropyltrimethoxysilane) to the corresponding carrier matrix using an acryloyl or methacryloyl anchor component. The “Silicoater” used in the present invention for the binding of the corresponding peptide.▲ R ▼As with the process (DE-A 42 25 106), it relates to a novel use of coating methods known per se for the preparation of implants according to the invention. A further possibility of attaching the peptides defined by the present invention to the surface of a carrier matrix or implant originally explains the technical teaching for pearlescent pigment coatings in water-based coating systems for metals and plastics in the automotive and plastics industry. It constitutes a use similar to the silanization process described in DE-A 43 21005. Furthermore, a method of coating a gold surface with a thiol group-carrying peptide, which was originally described in another relationship (Heuvel et al., 1993, Analytical Biochem, Vol. 215: 223), is also suitable for the present invention.
The method outlined has never been used to coat implants intended for biological activation.
The binding of the corresponding peptide defined by the present invention to the implant surface takes place in the present invention via a suitable anchor molecule, i.e. the peptide is generally not directly attached to the implant surface. The insertion of such molecules, as defined in more detail below, has as a point to consider the steric requirements of the biological receptor on the target cell, especially in relation to the binding of the corresponding peptide.
For this purpose, the implant surface must carry suitable functional groups or reactive units that allow binding with the corresponding functional group of the anchor molecule. The functional groups that are made available on the implant surface depend on the actual carrier matrix composition (metal, plastic, bone material) that changes as needed. In the case of metal implants, it is possible to produce a surface layer reactive to the SH groups of the anchor molecules, for example by depositing gold. Silanization of metal surfaces by known methods (see above) also forms compounds with suitable anchor molecules according to the invention, using silane-containing adhesion promoters (see below) where appropriate. To a reactive surface that can Implants made of natural bone or natural-like bone material (eg calcium phosphate cement) can be combined with anchor molecules containing reactive phosphonic acid groups (Principle by Chu, Orgel, 1997, Bioconjugates Chem., Volume 8) : Described on page 103). Also, as part of itself, anchor molecules according to the invention having reactive acrylic acid groups are attached to implants made of acrylate-based plastics (eg PMMA) or other materials with a suitable plastic coating. be able to.
Thus, the anchor molecule within the meaning of the present invention consists of at least two different functional groups, i.2Free carboxyl group (free NH) that forms an amide bond (-CO-NH-) with the group (free carboxyl group)2A functional group), preferably at the other end of the carbon chain of the anchor molecule, resulting in direct or indirect binding to the implant surface, depending on the composition or requirements of the implant surface , Molecules based on modified or substituted alkyl chains or hydrocarbon chains, preferably with other functional groups which are (meth) acrylate-containing groups or mercapto groups. In principle, it is also possible to use other functional groups that can react directly with the corresponding reactive groups on the implant surface or on suitable intermediate layers to give stable bonds.
As already mentioned above, the anchor molecule of the present invention has the function of a spacer at the same time, i.e., in addition to what has been outlined, the selection of the ligation can improve cell binding or be sterically As may be possible from a point of view, the domain that governs cell adhesion stimulation is appropriately selected and has a specifically regulated length to allow the appropriate distance from the target cell.
The biological function of the domain that retains cell recognition and the corresponding amino acid sequence is e.g.vβThree/ ΑvβFiveConfirmed by synthetic peptides that selectively bind to integrin-expressing cell types (eg, osteoblasts, osteoclasts, endothelial cells) (Haubner et al., 1996, J. Am. Chem. Soc., 118): 7461-7472).
The anchor molecule of the present invention preferably has the following linear structure, and the peptide defined by the present invention has one amino acid side chain, preferably NH of the lysine side chain:2It is linked via a group to the free carboxyl terminus of the corresponding anchor molecule.
(I) Mercapto (amide) carboxylic acid derivative:
-CO- (CH2)k-X-SH,
Where X is a single bond or —CO—NH— (CH2)l-
k = 2-12 and l = 2-4
(Ii) Acrylamide carboxylic acid derivative:
-CO- (CH2)m-[NH-CO- (CH2)n]p-NH-CO-CH = CH2,
Where m, n = 2-8; p = 0-2,
(Iii) Acrylamide-amide triethylene glycolic acid derivative:
-(CO-CH2-O-CH2-CH2-O-CH2-CH2-NH)q-CO- (CH2)r-NH-CO-CH = CH2,
Where q = 1-3 and r = 2-8.
In particular, the following types of specific anchor molecules are preferred.
(Ia) -CO-CH2-CH2-SH (mercaptopropionic acid)
(Ib) -CO-CH2-CH2-CO-NH-CH2-CH2-SH (mercaptoethylamide succinic acid)
(Iia) -CO- (CH2)Five-NH-CO-CH = CH2(Acrylamide hexanoic acid)
(Iib) -CO- (CH2)Five-NH-CO- (CH2)Five-NH-CO-CH = CH2(Acrylamide hexanoic acid-amidohexanoic acid)
(Iiia) -CO-CH2-O-CH2-CH2-O-CH2-CH2-NH-CO- (CH2)Five-NH-CO-CH = CH2(Acrylamide hexanoic acid-amide triethylene glycolic acid)
(Iiib)-(CO-CH2-O-CH2-CH2-O-CH2-CH2-NH)2-CO- (CH2)Five-NH-CO-CH = CH2(Acrylamide hexanoic acid-diamide triethylene glycolic acid)
Usually, according to the present invention, any anchor molecular structure having at least 6 carbons in a linear carbon chain is preferred. In fact, it has surprisingly been found that anchor molecules of this length are particularly preferred in order to achieve the best results with respect to the promoted and enhanced tissue integration of the implant. The notation of at least 6 carbon atoms in the linear chain is in the present invention the total length of the molecule between the peptide and the implant surface. That is, anchor molecules of the structure shown above with shorter chains (eg, type ia) are also suitable, unless otherwise specified, a chain-extending binding component is inserted between the peptide and the implant surface.
The anchor molecule is linked to the peptide defined by the present invention in the form of an amide via a carboxyl functional group by standard methods, but by this method the structure of the peptide-NH-CO-anchor type molecule And, as indicated, attaches to the implant, thereby also building the following type of product: peptide-NH-CO-anchor molecule-implant (surface). Preference is given to a corresponding implant structure consisting of one of the above-mentioned definition peptides, in particular one of the RGD peptides, one of the general and specifically defined anchor molecules individually mentioned above, and a suitable surface-reactive implant. The following implants are particularly preferred:
Cyclo-RGDfK NH-CO-thiol derivative (type: i) -implant,
Cyclo-RGDfK NH-CO-acrylate derivative (type: ii) -implant,
Cyclo-RGDfK NH-CO-acrylate-glycol derivative (type: iii) -implant,
Cyclo-RGDfKG NH-CO-acrylate-glycol derivative (type: iii) -implant,
Here, the linear carbon chain of all anchor molecules has at least 6 atoms.
Particularly preferred among these are:
Cyclo-RGDfK NH-CO-thiol derivative (type: ib) -implant,
Cyclo-RGDfK NH-CO-acrylate derivative (type: iia) -implant,
Cyclo-RGDfK NH-CO-acrylate derivative (type: iib) -implant,
Cyclo-RGDfK NH-CO-acrylate-glycol derivative (type: iiia) -implant,
Cyclo-RGDfKG NH-CO-acrylate-glycol derivative (type: iiia) -implant,
Cyclo-RGDfK NH-CO-acrylate-glycol derivative (type: iiib) -implant.
The preparation of these preferred structures is carried out by standard methods, or further described below, or in Applicant's co-filed parallel applications relating to such peptide anchor structures.
As already explained in detail above, there are essentially three alternative pathways for tethering the described cell or tissue-selective peptide derivatives to the surface of the biomaterial in the present invention, each RGD sequence being The molecular recognition pattern of the retained domain can be maintained unchanged selectively for certain cell types and spacers, while molecular anchors can change, for example, depending on the binding deformation described below :
Binding of a thiol peptide derivative to a gold-coated biomaterial surface (eg, type (i) anchor molecule);
The binding of (meth) acryloyl peptide derivatives to acrylate or methacrylate coated biomaterials (eg type (ii) or (iii) anchor molecules);
A silane-coated biomaterial surface (eg type (ii) or (iii) anchor molecule) using (meth) acryloylsilane derivatives (eg 3-methacryloxypropyltrimethyloxysilane) as adhesion promoter or intermediate layer Of a (meth) acryloyl peptide derivative to the peptide.
For various peptide bond deformations to the biomaterial surface, the determination of the critical minimum length of the anchor molecule preferably exhibits hydrophobic / hydrophilic properties that are alternatively different from the chain length of 6 to 24 carbon atoms. Carried out by synthesizing a peptide defined by the present invention together with an anchor molecule defined by the present invention (eg, different numbers of —CH2-By using units and / or amidohexanoic acid or ethylene glycol, followed by testing of biological activity by determining cell attachment in vitro after coating of the appropriate biomaterial).
In the foregoing method, depending on the material properties of the implant, a suitable coating method can be selected to condition the surface before actual binding with the peptide derivative according to the invention. Furthermore, depending on the tissue type or cell type intended to achieve biomaterial / implant integration, for example, α from epithelial cells6βFourΑ from integrins (eg, bone, jaw, skin or hair implant applications) or plateletsIIbβThreeOther peptide coatings are also possible, such as integrins, that activate in a targeted manner the corresponding target cell type integrin. αvβThreeSpecific RGD peptides have selectivity for endothelial cells and osteoblasts, resulting in, for example, suitable for coating artificial blood vessels or bone implants. This makes it possible to realize a living surface coating suitable for almost any desired organ for implants in the field of bone, blood vessels, teeth, skin and hair replacement.
Before a suitable implant or biohybrid organ according to the present invention is made available, a specific cell type can be applied so that a specific and selective coating of the implant to be inserted into the selected tissue can be performed later. Suitable peptides must be pre-tested and determined for biological activity in an in vitro test system.
The analysis of the integrin receptor structure of the target tissue or target cell into which the implant is to be inserted, which is necessary for this purpose, can be performed using conventional, known immunohistochemistry, such as immunofluorescence or immunohistochemistry of tissue samples Implement by process. The antibodies against the various integrin receptors or subunits thereof necessary for this purpose are known and available on the one hand, or are known per se, for example suitable immunizations. It can be suitably manufactured by various methods.
The peptides defined by the present invention are covalently bound at various concentrations, for example, to the surface of polystyrene media coated with bovine serum albumin (BSA). This test carrier material does not play any essential role in determining a suitable peptide. Similarly, the bonding method used here is also of little importance. For practical reasons, the coupling in these determinations can also be effected by incubation and adsorption of the peptide on a test carrier.
Subsequently, an appropriately coated surface for attachment of selected tissue cell cultures (eg, osteoblasts) whose attachment characteristics can correspond to cells in the natural tissue to be activated in vivo. Find out above. Criteria for selecting an appropriate cell culture for adhesion testing are, for example, its αvβThree/ ΑvβFiveOr αIIbβThreeThere is a pattern of integrated expression that is comparable to target cells in vivo after transplantation, such as expression.vβThree, ΑvβFiveOr αIIbβThreeFor integrin or of integrin receptorv, ΑIIb, ΒThreeOr βFiveFluorescently labeled antibodies against subunits are demonstrated using a fluorescence activated cell sorter (FACS). In the case of other target cell types in vivo with different integrin receptor patterns, other antibodies must therefore be used. These are known and available on the one hand, or can be produced by known standard methods, for example by appropriate immunization.
Various selected cell types are inoculated and incubated on the BSA pretreated polystyrene media surface coated with the peptide under consideration. Thereafter, non-adherent cells are washed away.
If the binding properties of the different selected cell types on the test surface coated with different peptides as defined by the present invention are positive, i.e. there is an appropriate specificity, in each case about 60 of the inoculated cells. Corresponding to an infection curve with a maximum adsorption ratio of ˜100%, and at a concentration of RGD peptide in the coating solution of about 5 nM to 5 μM, half of the maximum number of cells binds.
Similarly, various adhesion-promoting interlayers can be used for immobilization on modified or modified biomaterial surfaces, as described in Binding of appropriate peptides to BSA pre-coated polystyrene surfaces.
In summary, the following can be stated:
Prior art implants have the following disadvantages:
Integration of incomplete and slow implants into the tissue,
・ Limited tolerance within the organization,
Improper functional stability of the implant / tissue boundary layer,
Lack of stimulatory action of the implant on tissue formation,
• Non-physiological properties of the implant surface.
The consequences of this further problem are:
Aseptic implant relaxation (eg, fibrous capsule formation),
・ Local formation of microthrombus,
·infection,
·inflammation,
・ Tissue resorption,
-Corrective surgery.
These problems are largely eliminated by the method that can be used according to the present invention or the implant produced thereby. The subject of the present invention is characterized as follows:
Generation of adherent peptides that are complementary to the integrin expression pattern of the target tissue / target cell—measurement design;
Selective stimulation of cell attachment of target cells to achieve tissue formation without simultaneously causing cell attachment that inhibits the process;
More stable coating with new peptide anchor molecules;
-Promote and improve the process of implant integration into tissue.
It could be shown that the critical steric absolute minimum distance between the cell recognition sequence on the peptide and the surface of the uncoated material is between 2.0 and 3.5 nm, preferably between 2.5 and 3.5 nm. Maximum coverage (80-100%) can be achieved at minimum distances of 3.0-5.0 nm.
[Brief description of the drawings]
Figure 1:  αvβThreeAnd αvβFiveAnalysis of integrin composition of primary human osteoblasts by FACS (fluorescence activated cell sorter) using a fluorescent conjugated antibody against integrin.
x-axis: fluorescence intensity (count)
y-axis: cell count
M21: αvβThreeAnd αvβFivePositive control
M21: αvβThreeAnd αvβFivePositive control
HOB: Primary human osteoblast culture
ROB: Primary rat osteoblast culture
Figure 2:  Attachment of MC3T3H1 osteoblasts to polystyrene test surfaces coated with various RGD peptides via BSA.
x-axis: concentration of RGD peptide in coating solution (μM)
y axis: Cell coverage (%)
Upper curve: Cyclo-RGDfK NH-CO-CH2-CH2-S- (sulfo SMPB)
("Thiol peptide 1-SMPB derivative"), SMPB = succinimidyl 4- (p-maleimidophenyl) butyric acid;
Middle curve: Cyclo-RGDfK NH-CO-CH2-CH2-CO-NH-CH2-CH2-S- (sulfo SMPB) ("Thiol peptide 2-SMPB derivative"),
Middle lower curve: cyclo-RGDVE CO-NH-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CO-NH-CH2-CH2-S- (sulfo SMPB) ("Thiol peptide 3-SMPB derivative"),
Lower curve: Thiol peptide Target: Cyclo-RβADfK-NH-CO-CH2-CH2-S- (sulfo SMPB)
Figure 3:  Adhesion of osteoblasts to test surface coated with thiol peptide 1-SMPB derivative (see footnote in Figure 2)
x-axis: peptide concentration in the coating solution (μM)
y axis: Cell coverage (%)
Upper curve: MC3T3 H1 mouse osteoblast
Middle curve: primary human bone progenitor cells
Middle curve: primary human osteoblasts
Middle lower curve: αvβThreeNegative control cell M21L
Lower curve: primary rat osteoblast
Figure 4:  Adhesion of osteoblasts to test surface coated with thiol peptide 1-SMPP derivative (10 μM in coating solution) (see Figure 2)
x-axis: concentration of dissolved cyclo-RGDfK (no molecular anchor) in the adhesion medium (μM)
y axis: Cell coverage (%)
Upper curve: MC3T3 H1 mouse osteoblast
Middle curve: primary human osteoblasts
Lower curve: primary rat osteoblast
Figure 5:  Adhesion of osteoblasts to test surface coated with thiol peptide 1-SMPB derivative (10 μM in coating solution) (see Figure 2)
x-axis: Number of inoculated cells / cm2
y-axis: number of adherent cells / cm2
Upper curve: primary rat osteoblast
Middle curve: MC3T3 H1 mouse osteoblasts
Middle curve: primary human osteoblast
Lower curve: BSA negative coating
Figure 6:  Adhesion of osteoblasts to test surface coated with thiol peptide 1-SMPB derivative (10 μM in coating solution) (see Figure 2)
x-axis: Number of inoculated cells / cm2
y-axis: Calculated required surface area / cell (μm2)
Upper curve: primary human osteoblast
Middle curve: MC3T3 H1 mouse osteoblasts
Lower curve: primary rat osteoblast
Figure 7:  Adhesion of osteoblasts to test surface coated with thiol peptide 1-SMPB derivative (10 μM in coating solution) (see Figure 2)
x axis: Time (minutes)
y axis: Cell coverage (%)
Upper curve: MC3T3 H1 mouse osteoblast
Middle curve: primary human osteoblasts
Lower curve: primary rat osteoblast
Figure 8:  Attachment of MC3T3 H1 osteoblasts to bone cement-PMMA surfaces coated with various RGD peptides:
x-axis: concentration of RGD peptide in coating solution (μM)
y axis: Cell coverage (%)
Upper curve: cyclo-RGDfK NH-CO-acrylate derivative (type: iiia, acrylate peptide 3),
Middle upper curve: cyclo-RGDfK NH-CO-acrylate derivative (type: iib, acrylate peptide 2),
Middle lower curve: cyclo-RGDfK NH-CO-acrylate derivative (type: iiib, acrylate peptide 4),
Lower curve: cyclo-RGDfK NH-CO-acrylate derivative (type: iia, acrylate peptide 1),
Figure 9:  Attachment of MC3T3 H1 osteoblasts to porous PMMA / PHEMA surfaces coated with various RGD peptides:
x-axis: concentration of RGD peptide in coating solution (μM)
y axis: Cell coverage (%)
Upper curve: cyclo-RGDfK NH-CO-acrylate derivative (type: iiia, acrylate peptide 3),
Middle curve: cyclo-RGDfK NH-CO-acrylate derivative (type: iiib, acrylate peptide 4),
Lower curve: cyclo-RGDfK NH-CO-acrylate derivative (type: iib, acrylate peptide 2),
Figure 10:  Attachment of MC3T3 H1 osteoblasts to porous PMMA / Plex Y7H surfaces coated with various RGD peptides:
x-axis: concentration of RGD peptide in coating solution (μM)
y axis: Cell coverage (%)
Upper curve: cyclo-RGDfK NH-CO-acrylate derivative (type: iiia, acrylate peptide 3),
Middle curve: cyclo-RGDfK NH-CO-acrylate derivative (type: iiib, acrylate peptide 4),
Lower curve: cyclo-RGDfK NH-CO-acrylate derivative (type: iib, acrylate peptide 2),
Figure 11:  Maximum adhesion of MC3T3 H1 osteoblasts to bone cement-PMMA or polystyrene-BSA-SMPB surfaces coated with different RGD peptides of different molecular lengths:
x-axis: RGD peptide molecular length (nm)
y-axis: Maximum coverage (%)
Figure 12:  Attachment of MC3T3 H1 osteoblasts to V4A stainless steel surface coated with RGD peptide cyclo-RGDfK NH-CO-acrylate derivative (type iiia, acrylate peptide 3). The stainless steel surface was pre-coated on the part in various ways.
x-axis: RGD peptide concentration in the coating solution (μM)
y axis: Cell coverage (%)
Upper curve: Kevloc▲ R ▼Coating,
Medium curve: Silicoater▲ R ▼Coating,
Lower curve: pigment coating,
Figure 13:  Proliferation of MC3T3 H1 osteoblasts on bone cement-PMMA surface coated with RGD peptide cyclo-RGDfK NH-CO-acrylate derivative (type iiia, acrylate peptide 3).
x-axis: culture period (days)
y-axis: cell count
Upper curve: 100 μM peptide in coating solution,
Middle top curve: 1 μM peptide in coating solution,
Middle lower curve: 0.1 μM peptide in coating solution,
Lower curve: uncoated control.
Figure 14:  Attachment of MC3T3 H1 osteoblasts and platelets to bone cement-PMMA surface coated with RGD peptide cyclo-RGDfK NH-CO-acrylate derivative (type iiia, acrylate peptide 3).
x-axis: osteoblasts alone and platelets alone seeded on surfaces with peptide concentrations in various coating solutions of 100 μM, 10 μM and 1 μM
y-axis: cell count (absorption at 405 nm)
Figure 15:  Attachment of MC3T3 H1 osteoblasts and platelets to bone cement-PMMA surface coated with RGD peptide cyclo-RGDfKG NH-CO-acrylate derivative (type iiia, acrylate peptide 5).
x-axis: osteoblasts alone and platelets alone seeded on surfaces with peptide concentrations in various coating solutions of 100 μM, 10 μM and 1 μM
y-axis: cell count (absorption at 405 nm)
Figure 16:  Attachment of MC3T3 H1 osteoblasts, platelets and osteoblast / platelet mixture to bone cement-PMMA surface coated with RGD peptide cyclo-RGDfK NH-CO-acrylate derivative (type iiia, acrylate peptide 3).
x-axis: osteoblasts alone, platelets alone and osteoblast / platelet mixture seeded on a surface with peptide concentration in 100 μM coating solution
y-axis: cell count (absorption at 405 nm)
Figure 17:  Attachment of MC3T3 H1 osteoblasts, platelets and osteoblast / platelet mixture to bone cement-PMMA surface coated with RGD peptide cyclo-RGDfKG NH-CO-acrylate derivative (type iiia, acrylate peptide 5).
x-axis: osteoblasts alone, platelets alone and osteoblast / platelet mixture seeded on a surface with peptide concentration in 100 μM coating solution
y-axis: cell count (absorption at 405 nm)
The following examples further illustrate the invention but do not limit the invention.
Example 1:
(A) Synthesis of cyclo-RGD peptide (Arg-Gly-Asp-DPhe-Lys) having an anchor mercaptopropionic acid (→ cyclo-RGDfK NH-CO-thiol derivative type: ia) by the method of DE 1 95 38 741 Went according to. Biologically inert corresponding cyclo-RβAThe synthesis of DfK derivatives and cyclo-RGDfK derivatives without an anchor molecule was carried out in the same manner.
(B) Cyclo (R (Pbf) GD (tBu) fK (Z)) (Pbf = pentamethylbenzofuransulfonyl; tBU = tert-butyl) was synthesized by solid phase peptide synthesis (Merrifield, Angew. Chem. 1985, 97th). Volume: 801) and subsequent cyclization (eg, according to Zimmer et al., 1993, Leibigs Ann. Chem: 497). Selective removal of the Z-protecting group by standard methods followed by cyclo (R (Pbf) GD in 5 ml of dimethylformamide for cyclo (R (Pbf) GD (tBu) fp [sa-K]) (TBu) fK) The lysine side chain can be extended by reaction with 0.1 mmol of 0.2 mmol of succinic anhydride (sa).
(C) Synthesis of cyclo-RGD peptide (Arg-Gly-Asp-DPhe-Lys) having anchor mercaptoethylamidosuccinic acid (→ cyclo-RGDfK NH-CO-thiol derivative type: ib = cyclo (RGDf [thiol-sa -K]) was carried out as follows: 10 mmol of cysteamine hydrochloride and equimolar amount (eq.) Of triphenylmethanol were dissolved in glacial acetic acid at 60 ° C., and BF was stirred.ThreeTreated with 1.1 equivalents of etherate. After stirring for 50 minutes, the mixture is saturated NaHCO 3ThreeNeutralized with solution and extracted with ethyl acetate. The residual oil from the extract was dissolved in tert-butanol, adjusted to pH = 2 with dilute hydrochloric acid, converted to hydrochloride and lyophilized. Yield 99%. The structural unit thus obtained is coupled to cyclo (R (Pbf) GD (tBu) fp [sa-K]) using EDClxHCl by a standard method to remove the side chain protecting group. .
(D) Synthesis of cyclo-RGD peptide (Arg-Gly-Asp-DPhe-Lys) having anchor acrylamide hexanoic acid (→ cyclo-RGDfK NH-CO-acrylic acid derivative type: iia = cyclo (RGDf [acryl-ahx- K]) was performed as follows:
An acrylic anchor system was synthesized separately and attached to the peptide side chain as an active ester. To that end, 10 mmol of 6-aminohexanoic acid and 1.8 equivalents of calcium hydroxide were suspended in water and 1.2 equivalents of acryloyl chloride were added at 0 ° C. Insoluble calcium hydroxide was removed by filtration, and the filtrate was acidified to pH 2 using concentrated hydrochloric acid. The precipitated product was recrystallized from ethyl acetate. Yield: 65%. 10 mmol of crystalline 6-acrylamidohexanoic acid was suspended in 50 ml of dichloromethane, treated with 1 equivalent of N-hydroxysuccinimide, and 1.2 equivalent of EDClxHCl was added at 0 ° C. After stirring for 1 hour, 10 μl of glacial acetic acid was added to stop the reaction. This was extracted several times with ice, saturated sodium carbonate solution and water, and the extract was dried over sodium sulfate. Yield: 52%. The active ester present therein was coupled to cyclo (R (Pbf) GD (tBu) fK) in DMF and the side chain protecting group was removed by standard procedures.
(E) Synthesis of cyclo-RGD peptide (Arg-Gly-Asp-DPhe-Lys) having anchor acrylamide hexanoic acid-amido hexanoic acid (→ cyclo-RGDfK NH-CO-acrylic acid derivative type: iib = cyclo (RGDf [ Acrylic-ahx-ahx-K]) was performed as follows:
For the synthesis of the acrylic anchor system, 10 mmol of aminohexanoic acid was dissolved in aqueous sodium phosphate buffer (pH 8) and cooled to 0 ° C. Acrylhexanoic acid active ester 2 mmol (see (d)) is ethanol / CHClThreeAnd slowly added. The pH was maintained at 8 using dilute NaOH. After distilling off the organic solvent, the aqueous phase was acidified to pH 2.6 using concentrated hydrochloric acid, the precipitated solid was filtered off, washed with water and dried over phosphorus pentoxide. Yield: 70%. The acrylic anchor system present here is attached to the peptide side chain using EDClxHCl by known methods to remove the protecting group.
(F) Synthesis of cyclo-RGD peptide (Arg-Gly-Asp-DPhe-Lys) having anchor acrylamide hexanoic acid-amido triethylene glycolic acid (→ cyclo-RGDfK NH-CO-acrylic acid derivative type: iiia = cyclo ( RGDf [acrylic-ahx-tEG-K]) was performed as follows:
An acrylic anchor system was prepared by solid phase peptide synthesis (see above). Acrylamide hexanoic acid (see above) was attached as a terminal component. Yield: 97%. The acrylic anchor system present here is attached to the peptide side chain using EDClxHCl by known methods to remove the protecting group.
(G) Synthesis of cyclo-RGD peptide (Arg-Gly-Asp-DPhe-Lys) having anchor acrylamide hexanoic acid-amido triethylene glycolic acid-amido triethylene glycolic acid (→ cyclo-RGDfK NH-CO-acrylic acid derivative) Type: iiib = cyclo (RGDf [acryl-ahx-tEG-tEGK]) was performed as in (f) Yield: 85%.
(I) Synthesis of cyclo-RGD peptide (Arg-Gly-Asp-DPhe-Lys) having anchor acrylamide hexanoic acid-amido triethylene glycolic acid (→ cyclo-RGDfK NH-CO-acrylic acid derivative type: iiia = cyclo ( RGDf [acryl-ahx-tEG-KG]) was carried out as in (f) Yield: 81%.
Example 2:
Covalent bond formation of peptides according to the present invention using sulfosuccinimidyl 4- (p-maleimidophenyl) butyric acid onto polystyrene medium surfaces pre-coated with bovine serum albumin (BSA) by Singer et al., 1987 , J. Cell. Biol., 104: 573 or Ruoslahti et al. (1982, Methods. Enzymol., 82: 803-831).
Therefore, in order to generate a BSA layer on polystyrene, 48-well plates (Costar, “Non-tissue medium treatment”, Art. No. 3547), 250 μl of PBS (phosphate buffered saline), pH, per well = 8.3, coated with 2% BSA and incubated overnight at room temperature. The plates were then washed with 250 μl PBS per well, pH = 8.3 and incubated with 250 μl each of PBS, pH8.3 solution containing 100 μg / ml SMPB for 1 hour at room temperature. Next, each well was washed three times with 250 μl of PBS, pH 8.3. For the preparation of the coating solution, specific thiol-RGD peptides were prepared in PBS, pH 8.3 to the following final concentrations: 1 nM, 10 nM, 100 nM, 1 μM, 10 μM, 100 μM and 1 mM. After adding 250 μl of each coating solution per well, the plates were incubated overnight at room temperature and then washed three times with PBS, pH 8.3. Nonspecific cell binding sites were blocked by adding 250 μl each of a 5% solution of BSA in PBS, pH 7.4, followed by incubation at room temperature for 2 hours and washing with PBS, pH 7.4. A polystyrene surface treated with a solution containing 5% BSA in the same manner as the positive sample for coating suppression was used as a negative coating control. Next, the adhesion of four cell cultures obtained from three different species was studied on the above-mentioned surface coated with RGD peptide:
-Primary human osteoblasts derived from the apex of the corpus cavernosum of adult patients (Siggelkow et al., 1997, Bone, 20: 231);
-Primary human bone progenitor cells derived from bone marrow of adult patients (Vilamitjana-Amedee et al., 1993, In vitro Cell Dev. Biol., 29: 699);
Primary osteoblasts derived from calvaria of neonatal rats prepared and cultured according to the method of Yagiela and Woodbury (1977, The Anatomical Record, 188: 287-305);
The osteoblast line MC3T3 H1 obtained from the calvaria of a newborn mouse (Heermeier et al., 1995, Cells and Materials, Vol. 5: pp. 309-321), and
・ ΑvβThree/ ΑvβFiveHuman melanoma cell line M21L as an integrin negative control.
Prior to using these cell types for attachment experiments, their integrin expression was analyzed using a Becton-Dickenson fluorescence activated cell sorter (FACS).vβThreeOr αvβFiveTo the receptor and to the integrin subunit αv, ΒThreeAnd βFiveThis was verified with a fluorescently labeled antibody against. In this case, strong expression of the integrin was observed (FIG. 1).
Inoculation density of 48000 cells / cm2Inoculate a Costar-48 well plate coated with RGD peptide as described above, then 37 ° C, 95% atmospheric humidity and 5% CO2.2Incubated for 1 hour under the following conditions. Cells that did not adhere during the experiment were washed twice with PBS, pH 7.4.
Adherent cells are quantified by determining the activity of the cellular enzyme N-acetylhexosaminidase using an appropriate calibration curve according to Landegren's method (1984, J. Immunol. Methods, 67: 379-388). Indirectly.
BSA pretreated polystyrene cell culture medium surface, αvβThreeOr αvβFiveCoating with the selective thiol peptide 1-, 2- (sulfo-SMPB) derivative leads to a strong and dose-dependent stimulation of the attachment of cultured mouse MC3T3 H1 osteoblasts (see FIG. 2). In contrast to this, the biologically inactive thiol peptide control has no significant effect, resulting in high selectivity and high specificity of the integrin-RGD peptide interaction. Inferior αvβThree/ ΑvβFiveThe selective thiol peptide 3- (sulfo-SMPB) (cyclo-RGDVE-aminocysteine-amidohexanoic acid: Delforge et al., 1996, Anal. Biochem., 242, 180) also has the corresponding thiol peptide 1 and It only shows a significantly weaker effect than the two derivatives.
The binding properties of different cell types to BSA pretreated polystyrene surfaces coated with thiol peptide 1- (sulfo-SMPB) derivatives or thiol peptide 2- (sulfo-SMPB) derivatives are approximately 70% of inoculated cells (primary rat bone Blast cells), infection curves with a maximum adsorption rate of about 80% (primary human osteoblasts and primary human bone progenitor cells) and about 90-100% (MC3T3 H1 mouse osteoblasts), and concentrations in the coating solution of 50- One half of the maximum number of cells at 1000 nM corresponds to binding to the RGD peptide (FIG. 3). In contrast to this, αvβThree/ ΑvβFiveNegative control cells (M21L) do not show any significant cell attachment. The cell adsorption rate described above is increased by about 20-40 times compared to a 5% BSA coated surface that does not result in any significant cell attachment for all osteoblast cultures used.
The similar behavior of the osteoblast culture described above confirms that the adhesion stimulating effect is specific to osteoblasts but is species independent.
Binding of the osteoblast medium to the BSA pretreated polystyrene surface coated with the thiol peptide 1-sulfo-SMPB derivative can be completely inhibited by adding cyclic RGDfK dissolved in the adherent medium (Fig. 4). This result proves that the observed cell attachment phenomenon is mediated only by the RGD peptide.
The dependence of cell attachment of primary human osteoblasts or MC3T3 H1 cells on a BSA pretreated polystyrene surface coated with the thiol peptide 1,2 (sulfo-SMPB) described above depends on the saturation curve. Draw (Figure 5). However, no significant cell attachment is observed on the BSA negative coating. Approximately 200-500 μm calculated for maximum cell seeding density2The average surface area per adherent cell gives an average cell-cell distance of about 15-25 μm on this surface (FIG. 6). Since the osteoblast diameter is about 10-15 μm, the peptide coating is so numerous that a densely coated surface with osteoblasts can be achieved in which the cells are arranged immediately adjacent to each other. Clearly, cell attachment sites are available. The time course of the cell attachment process on the surface is dependent on the cell type, indicating rapid cell attachment that is completed after about 45-60 minutes (FIG. 7). Cell lines (eg MC3T3 H1) here show a faster rate of attachment than primary cell cultures (human, rat). No significant differences between the two thiol peptide derivatives used can be seen in these experiments.
Example 3:
Four different acrylate RGDs with different molecular spacer distances to study the effect of different anchor molecule lengths, ie the distance between the RGD sequence of cell recognition and the material surface, on the degree of osteoblast attachment Peptides (cyclo-RGDfK NH-CO-acrylate derivatives (type: iia, iib, iiia, iiib) were prepared.
The synthesis of cycloRGD peptides was performed according to the disclosure of Example 1 or according to Pless et al., 1983, J. Biol. Chem., 258: 2340-2349 or Currath et al., 1992, Eur. J. Biochem., Volume 210: Performed according to the steps on pages 911 to 921.
The corresponding anchor lengths of these peptides are approximately 2.6 nm (acrylate peptide 1, type iia), 3.5 nm (acrylate peptide 2, type iib), 3.7 nm (acrylate peptide 3, type iiia) and 4.2 nm (acrylate peptide). 4. Type iiib).
Due to the covalent attachment of these peptides to the polymerized PMMA (polymethylmethacrylate) surface, suitable shaped articles (diameter: 10 mm; height: 2 mm) with different porosity were prepared from three different PMMA components.
-PMMA-based bone cement (Merck KGaA, Germany, certification number 5181.00.00) corresponding to product instructions (40g powder + 20ml liquid).
・ 10g of PMMA / PHEMA (polyhydroxyethyl methacrylate) particles (manufactured by Biomet) with a particle size of 0.5 to 0.6mm were added to a HEMA solution (68.6% HEMA, 29.4% TEGMA [triethylene glycol dimethacrylate], 2% tBPB [tert-butyl]. Peroxybenzoate]) 1.3 ml and adhered to the porous carrier material.
・ PMMA particles (Plex Y7H, Rohm, Germany) 10g with particle fragments 0.7-2mm are mixed with 1.5 ml of methyl methacrylate (MMA) solution (68.6% MMA, 29.4% TEGMA, 2% tBPB) to form a porous carrier material. This was used for attachment.
In order to covalently bond the acrylate peptide to the prepolymerized PMMA molded article, a stock solution of acrylate peptides 1, 2, 3 and 4 is added in each case to a final concentration of 100 μM in DMSO / 0.2% camphorquinone. Dissolved and prepared in (w / v). In addition, a series of concentrations were prepared in each case with final peptide concentrations of 0.1 nM, 1 nM, 10 nM, 100 nM, 1 μM and 10 μM by dilution with isopropanol / 0.2% camphorquinone (w / v). Molded articles were incubated for 2 hours at room temperature under sunlight and stored dry at 4 ° C. Prior to use, the samples were washed with PBS, pH 7.4 to remove unbound peptides and left overnight at 4 ° C. in PBS, pH 7.4.
Non-specific cell binding sites were blocked by adding 250 μl each of BSA 5% added solution of PBS, pH 7.4 per molded article, followed by incubation at room temperature for 2 hours and washing once with PBS, pH 7.4. .
A PMMA molded article treated with a solution of isopropanol / 0.2% camphorquinone (w / v) instead of the peptide solution was used as a negative control.
Subsequently, MC3T3 H1 osteoblasts (Heermeier et al., 1995, Cells and Materials, Vol. 5: pp. 309-321) obtained from the calvaria of a newborn mouse were examined for adhesion to the peptide-coated surface. .
MC3T3 H1 osteoblasts were seeded at 48,000 cells / cm with a PMMA molded article coated with RGD peptide in a Costar 48-well plate as described above.2Inoculated at 37 ° C, 95% atmospheric humidity and 5% CO2Incubated for 1 hour under the conditions of Cells that did not adhere during the experiment were washed twice with PBS, pH 7.4.
Adherent cells are quantified by determining the activity of the cellular enzyme N-acetylhexosaminidase using an appropriate calibration curve according to Landegren's method (1984, J. Immunol. Methods, 67: 379-388). Indirectly.
The binding properties of MC3T3 H1 osteoblasts to different PMMA molded articles coated with the acrylate RGD peptides 1 (type iia), 2 (type iib), 3 (type iiia) and 4 (type iiib) Both correspond to the infection curve. The maximum adsorption rate is about 20% for acrylate peptide 1 and about 80-100% for acrylate peptides 2, 3 and 4. The half-maximal binding of cells occurs for acrylate peptides 2, 3 and 4 at RGD peptide concentrations in coating solutions of about 1 to 10,000 nM.
The cell adhesion rate on the bone cement shaped article coated with RGD peptide is increased about 1.5 times (acrylate peptide 1) and about 5 to 15 times (acrylate peptide 2, 3 and) compared to the uncoated surface. (Figure 8).
The cell attachment rate on porous PMMA / PHEMA particle shaped articles coated with RGD peptide is increased by about 2 to 5 times (acrylate peptides 2, 3 and 4) compared to the uncoated surface ( Figure 9).
The cell attachment rate on the porous Plex Y7H particle shaped article coated with RGD peptide is increased about 2-3 times (acrylate peptide 2, 3 and 4) compared to the uncoated surface (Fig. Ten).
For PMMA / PHEMA or PMMA-Plex Y7H samples, there is a greater variation in cell attachment values and a constant maximum adherence rate to samples coated with RGD peptide than for PMMA bone cement models, but the coating control Both stronger attachment of osteoblasts to the sample is observed.
For acrylate peptides 2, 3 and 4, a very similar stimulation of cell attachment is observed both in the comparison with each other and with thiol peptides 1 and 2 coated on the test BSA control, but the shortest peptide Acrylate peptide 1 is almost inactive. From this it can be concluded that a critical minimum distance of about 2.5-3.5 nm is required between the RGD cell recognition sequence and the material surface in order to be able to achieve sterically satisfactory cell attachment ( Figure 11).
The higher activity of acrylate peptide 3 on the bone cement PMMA carrier points to an optimal molecular structure for cell attachment, both in terms of molecular length as well as any hydrophilic / hydrophobic distribution or spacer ratio.
Example 4
For testing osteoblastic cell adhesion to peptide-coated metal surfaces, V4A stainless steel shaped articles (7 x 7 x 1 mm)Three) Was subjected to three different coating modifications, in each case subsequently coated with RGD peptide. For this purpose, first, a stainless steel shaped article is incubated for 15 minutes at 60 ° C. in an ultrasonic bath for cleaning, rinsed with deionized water, incubated for 30 minutes in acetone, and again with deionized water. Rinse and incubate at 60 ° C. for 24 hours for drying.
Subsequently, stainless steel platelets were coated with three modifications.
a. Kevloc ▲ R ▼ process(Heraeus Kulzer GmbH, Welheim, Germany):
Kevloc▲ R ▼The primer solution was thinly applied and incubated at room temperature for 3 minutes. Next, Kevloc▲ R ▼The bond solution was similarly applied thinly and activated in a furnace at 180 ° C. for 20 minutes.
This coating deformation directly creates available free acrylate groups on the metal surface, so that the acrylate peptide 3, type iiia is then directly covalently bonded as described in Example 3 for polymerized PMMA bone cement. It became possible.
b. Silicoater ▲ R ▼ process(Heraeus Kulzer GmbH, Welheim, Germany):
Siliseal▲ R ▼The solution was thinly applied and dried at room temperature for 5 minutes. Next, the Sililink solution was similarly applied thinly and activated in an oven at 320 ° C. for 3 minutes.
In order to make available acrylic acid groups on the coated metal surface, a pretreated stainless steel shaped article was immersed in deionized water heated to 75 ° C. and the pH was adjusted to about 8.00 using NaOH. A 1% 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane solution (Huels AG, Germany) was then added dropwise over 1 hour with stirring until a pH of about 6.50 was achieved. The mixture was then stirred at 75 ° C. for 1 hour; at this time the pH was about 6.35.
Coupling of acrylate peptide 3, type iiia was performed as described in Example 3 for polymerized PMMA bone cement.
c. Pigment coating(Merck KGaA, Darmstadt, Germany)
This coating variant originally describes the technical teaching for the coating of pearlescent pigments for water-based coating systems for metals and plastics in the automotive and plastics industry, as described in DE-A 4321005 It went by.
For this purpose, a stainless steel model is immersed in deionized water heated to 75 ° C, the pH is adjusted to about 8.00 using NaOH, and AlClThreeThe solution was added dropwise over 2 hours with stirring. Next, a 5% sodium silicate solution was similarly added dropwise over 2 hours with stirring. In the following steps, a 1% 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane solution (Huels AG, Germany) was added dropwise over 1 hour with stirring. The mixture was then stirred at 75 ° C. for 1 hour; at this time the pH was about 6.40.
Coupling of acrylate peptide 3, type iiia was performed as described in Example 3 for polymerized PMMA bone cement.
After coating a stainless steel shaped article with acrylate peptide 3, type iiia by three different methods, adhesion of MC3T3 H1 osteoblasts was examined. For this, the procedure described in Example 3 was used.
The binding properties of MC3T3 H1 osteoblasts to V4A stainless steel shaped articles pretreated using three different methods and coated with the acrylate peptide 3 correspond in each case to the infection curve (FIG. 12). .
Maximum coverage is about 60% for pigment coating, and Kevloc▲ R ▼Or Silicoater▲ R ▼About 80% on the method. Half of the maximum cell binding occurs at a concentration of RGD peptide in the coating solution of about 1-100 nM for all three coating variants. The cell attachment rate on RGD peptide-coated stainless steel shaped articles is increased about 3-8 times compared to the uncoated control.
Kevloc▲ R ▼Or Silicoater▲ R ▼For the method, additionally in each case one coating solution (Kevloc▲ R ▼Primer alone, Kevloc▲ R ▼Bond alone, Siliseal▲ R ▼Alone, Sililink▲ R ▼A coating was formed using only alone. In this case, each double coating (Kevloc▲ R ▼Primer / Bond, Siliseal▲ R ▼/ Sililink▲ R ▼No significant difference in cell attachment was observed compared to
Example 5:
To supplementarily study not only osteoblast attachment but also growth on the RGD peptide surface, the procedure was as follows:
The coating method described in Example 3 was selected for covalent attachment to polymerized PMMA bone cement shaped articles of acrylate peptide 3, type iiia.
Next, 48,000 cells / cm212,000 cells / cm instead of2The MC3T3 H1 mouse osteoblasts were allowed to adhere to the RGC peptide-coated bone cement shaped article in the same manner as in Example 3, although there were two changes, in which the attachment time was 2 hours instead of 1 hour. It was. In addition, three different peptide concentrations of 0.01 μM, 1 μM and 100 μM were also examined in the coating solution.
After washing away non-adherent cells, MC3T3 H1 osteoblasts were washed in serum-containing (10%) medium with 95% atmospheric humidity, 5% CO2The cells were cultured at 37 ° C. for 15 days. During this period, the medium was changed twice per week, and after 1, 2, 3, 4, 5, 10 and 15 days, cell counts were determined by the WST-1 test from Boehringer Mannheim (Germany). In each case, a typical log phase of cell growth of cultured osteoblasts was seen here (FIG. 13). The maximum achieved cell count was directly dependent on the RGD peptide concentration in the coating solution. That is, after 15 days of culture, 1 cm2Approximately 1,000,000 cells (100 μM peptide), about 550,000 cells (1 μM peptide), about 300,000 cells (0.01 μM peptide) or about 230,000 cells (control without peptide) were achieved. That is, at the highest peptide concentration of 100 μM, an approximately 4-5 fold increase in cell proliferation was observed compared to uncoated samples.
Example 6:
The prototype used for material coating with different cell-selective RGD peptides to obtain implants with locally differentiated biologically active coating patterns to stimulate the attachment of different cell types is polymerized PMMA It was a bone cement model. To this, two RGD peptides with different cell selectivity were covalently linked. In this case, αvβThree/ ΑvβFiveAcrylate peptide 3, type iiia, and α having selectivity for integrin-bearing osteoblastsIIIbβThreeAcrylate peptide 5, type iiia, with selectivity for positive crystal plates, was bound to a PMMA shaped article as described in Example 3.
a.  In the first experiment, PMMA shaped articles were coated with acrylate peptides 3 and 5 at concentrations in the coating solution of 100 μM, 10 μM and 1 μM, respectively. Next, these RGD peptide-coated members were inoculated in parallel with osteoblasts and platelets to determine their cell attachment.
MC3T3 H1 osteoblast (350,000 cells / cm2) And human platelets (50,000,000 cells / cm2) Were inoculated in parallel on PMMA shaped articles coated with acrylate peptide 3 and with acrylate peptide 5, and their cell attachment was determined as described in Example 3.
Human platelets were prepared according to the method of Shattil and Brass (J. Biol. Chem., 262: 992-1000, 1987). This experiment was able to verify the cell selectivity of the two RGD peptides.
αvβThree/ ΑvβFivePositive osteoblasts are αvβThree/ ΑvβFiveCompared to negative platelets, acrylate peptide 3 (αvβThree/ ΑvβFiveIt adhered preferentially to the coated (optional) coated PMMA product (Figure 14). Here, for osteoblasts, a converted Abs (405 nm) of about 6.0 (100 μM peptide in the coating solution), about 2.0 (10 μM peptide) or about 1.8 (1 μM peptide) was found. However, for platelets, very low cell attachment values of about 3.0 Abs (100 μM peptide in the coating solution), about 1.5 Abs (10 μM peptide) or about 0.2 Abs (1 μM peptide) were seen. However, acrylate peptide 5 (αIIIbβThreeThe opposite result was seen for the (optionally) coated PMMA shaped product. In this case, αvβThree/ ΑvβFivePositive platelets are αIIbβThreeCompared with negative osteoblasts, they adhered preferentially (FIG. 15).
Here, calculated Abs (405 nm) of about 4.0 (100 μM peptide in coating solution), about 0.5 (10 μM peptide) or about 0.2 (1 μM peptide) was seen for platelets. However, for osteoblasts, very low cell attachment values of about 1.5 Abs (100 μM peptide in coating solution), about 1.0 Abs (10 μM peptide) or about 0.2 Abs (1 μM peptide) were seen.
b.  Also in the second experiment, PMMA shaped articles were similarly coated with acrylate peptides 3 and 5 although the concentration in each coating solution was only 100 μM. These RGD peptide-coated members were then inoculated in parallel with osteoblasts, platelets or osteoblast / platelet mixtures to determine their cell attachment. MC3T3 H1 osteoblast (350,000 cells / cm2), Human platelets (50,000,000 cells / cm2) And cell mixture (350,000 osteoblasts / cm2And 50, O00,000 platelets / cm2) Were inoculated in parallel on PMMA shaped articles coated with acrylate peptide 3 and with acrylate peptide 5, and their cell attachment was determined as described in Example 3.
αvβThree/ ΑvβFivePositive osteoblasts (approximately 6.0 Abs)vβThree/ ΑvβFiveCompared with negative platelets (about 3.0 Abs), it adhered preferentially to the acrylate peptide 3-coated PMMA shaped product (FIG. 16). When both cell types were inoculated as a mixture, a result approximately equivalent to the osteoblast-only result (approximately 6.5 Abs) was obtained.
However, acrylate peptide 5 (αIIbβThreeThe opposite result was seen for the (optionally) coated PMMA shaped article. Where αIIbβThreePositive platelets (approximately 4.0 Abs)IIbβThreeCompared with negative osteoblasts (about 1.5 Abs), they preferentially attached (FIG. 17). Inoculation of both cell types as a mixture gave results approximately equivalent to the sum of the individual results for platelets and osteoblasts (approximately 6.5 Abs).
These results indicate that coating of the implant surface with various cell-selective RGD peptides can be used for the generation of implants that mediate the preferred attachment of selected cell types. In this case, a comparison between osteoblasts and platelets indicates that:
Surface coverage with integrin-selective RGD peptides will prevent the attachment of these cell types with the addition of complementary integrins compared to cells that do not have these special integrins or only to a minor extent. Can be significantly irritating.
This effect is maintained even when using a cell mixture that is very close to the in vivo state.

Claims (12)

キャリアマトリクスおよび、
ヒトまたは動物の体細胞の標的化付着を刺激するための、同一または異なるペプチドで構成される、前記キャリアマトリクスを取り囲むペプチド被覆を含んでなる、異なるヒトおよび動物の器官に適するインプラントであって、
前記ペプチド被覆を構成している、同一または異なるペプチドは、4〜20個のアミノ酸からなるペプチド鎖が、そのN末端アミノ基とC末端のカルボキシル基の間を連結する、アミド結合(−CO−NH−)型の連結によって形成される環状のペプチドであり、
前記ペプチド鎖のアミノ酸配列は、前記環状のペプチドを該キャリアマトリクスの表面に付着するためのアンカー分子との連結に利用可能なアミノ基を有する、Kおよび、ヒトまたは動物細胞上の、付着を支配するインテグリン受容体上の結合部位を認識する配列として、RGDを含んでおり、
前記キャリアマトリクスは、前記環状のペプチド中のK、または、前記環状のペプチドを該キャリアマトリクスの表面に付着するためのアンカー分子の適合する官能性反応性基と安定な共有結合を形成することができる、結合し得る反応性基をその表面上に有しており、
その対応した異なる構造に関係した、細胞付着刺激活性に由来して、細胞にインプラントが挿入されるべき、特定の領域において、それらと隣接する組織細胞の天然の異なる相補的なインテグリンのパターンと特異的に対応し、これにより、インプラント表面の、局部的に分化し、選択的な、生物学的に活性な被覆パターンが存在するように、前記環状のペプチドがインプラントの表面に配されており、
前記環状のペプチドは、前記アンカー分子により、インプラントの表面に付着しており、
前記ヒトまたは動物の体細胞は、α IIb β 3 を発現している、ヒトまたは動物の体細胞であり、
前記環状のペプチドは、環状のRGDfKGであり、
前記アンカー分子は、
-CO-CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -NH-CO-(CH 2 ) 5 -NH-CO-CH=CH 2 ; (iiia)であり、
前記アンカー分子は、アミド結合(−CO−NH−)を介して、上記Lys残基の側鎖上のアミノ基(−NH 2 )と連結されている
ことを特徴とするインプラント。
Carrier matrix, and
An implant suitable for different human and animal organs comprising a peptide coating surrounding said carrier matrix, composed of the same or different peptides, for stimulating targeted attachment of human or animal somatic cells,
The same or different peptides constituting the peptide coating are amide bonds (—CO—) in which a peptide chain consisting of 4 to 20 amino acids connects between the N-terminal amino group and the C-terminal carboxyl group. A cyclic peptide formed by NH-) type linkages;
The amino acid sequence of the peptide chain governs attachment on K and human or animal cells having an amino group available for attachment to an anchor molecule for attaching the cyclic peptide to the surface of the carrier matrix RGD is included as a sequence that recognizes the binding site on the integrin receptor
The carrier matrix may form a stable covalent bond with K in the cyclic peptide or a compatible functional reactive group of an anchor molecule for attaching the cyclic peptide to the surface of the carrier matrix. Has a reactive group on its surface capable of binding,
Derived from the cell attachment stimulating activity related to its corresponding different structure, the specific different integrin patterns and uniqueness of the tissue cells adjacent to them in the specific area where the implant should be inserted into the cell The cyclic peptide is arranged on the surface of the implant so that there is a locally differentiated, selective, biologically active coating pattern of the implant surface ,
The cyclic peptide is attached to the surface of the implant by the anchor molecule,
The human or animal somatic cell is a human or animal somatic cell expressing α IIb β 3 ;
The cyclic peptide is cyclic RGDfKG;
The anchor molecule is
A (iiia),; -CO-CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -NH-CO- (CH 2) 5 -NH-CO-CH = CH 2
Wherein the anchor molecule is an implant via an amide bond (-CO-NH-), and wherein the <br/> that is coupled with an amino group on the side chain of the Lys residue (-NH 2).
キャリアマトリクスおよび、
ヒトまたは動物の体細胞の標的化付着を刺激するための、同一または異なるペプチドで構成される、前記キャリアマトリクスを取り囲むペプチド被覆を含んでなる、異なるヒトおよび動物の器官に適するインプラントであって、
前記ペプチド被覆を構成している、同一または異なるペプチドは、4〜20個のアミノ酸からなるペプチド鎖が、そのN末端アミノ基とC末端のカルボキシル基の間を連結する、アミド結合(−CO−NH−)型の連結によって形成される環状のペプチドであり、
前記ペプチド鎖のアミノ酸配列は、前記環状のペプチドを該キャリアマトリクスの表面に付着するためのアンカー分子との連結に利用可能なアミノ基を有する、Kおよび、ヒトまたは動物細胞上の、付着を支配するインテグリン受容体上の結合部位を認識する配列として、RGDを含んでおり、
前記キャリアマトリクスは、前記環状のペプチド中のK、または、前記環状のペプチドを該キャリアマトリクスの表面に付着するためのアンカー分子の適合する官能性反応性基と安定な共有結合を形成することができる、結合し得る反応性基をその表面上に有しており、
その対応した異なる構造に関係した、細胞付着刺激活性に由来して、細胞にインプラントが挿入されるべき、特定の領域において、それらと隣接する組織細胞の天然の異なる相補的なインテグリンのパターンと特異的に対応し、これにより、インプラント表面の、局部的に分化し、選択的な、生物学的に活性な被覆パターンが存在するように、前記環状のペプチドがインプラントの表面に配されており、
前記環状のペプチドが、前記アンカー分子により、インプラントの表面に付着しており、
前記ヒトまたは動物の体細胞は、α v β 3 /α v β 5 を発現している、ヒトまたは動物の体細胞であり、
前記環状のペプチドは、環状のRGDfKであり、
前記アンカー分子は、以下の構造の1つから選択されており、
-CO-CH 2 -CH 2 -SH ; (ia)
-CO-CH 2 -CH 2 -CO-NH-CH 2 -CH 2 -SH ; (ib)
-CO-(CH 2 ) 5 -NH-CO-(CH 2 ) 5 -NH-CO-CH=CH 2 ; (iib)
-CO-CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -NH-CO-(CH 2 ) 5 -NH-CO-CH=CH 2 ; (iiia)
-(CO-CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -NH) 2 -CO-(CH 2 ) 5 -NH-CO-CH=CH 2 (iiib)
前記アンカー分子は、アミド結合(−CO−NH−)を介して、上記Lys残基の側鎖上のアミノ基(−NH 2 )と連結されている
ことを特徴とするインプラント
Carrier matrix, and
An implant suitable for different human and animal organs comprising a peptide coating surrounding said carrier matrix, composed of the same or different peptides, for stimulating targeted attachment of human or animal somatic cells,
The same or different peptides constituting the peptide coating are amide bonds (—CO—) in which a peptide chain consisting of 4 to 20 amino acids connects between the N-terminal amino group and the C-terminal carboxyl group. A cyclic peptide formed by NH-) type linkages;
The amino acid sequence of the peptide chain governs attachment on K and human or animal cells having an amino group available for attachment to an anchor molecule for attaching the cyclic peptide to the surface of the carrier matrix RGD is included as a sequence that recognizes the binding site on the integrin receptor
The carrier matrix may form a stable covalent bond with K in the cyclic peptide or a compatible functional reactive group of an anchor molecule for attaching the cyclic peptide to the surface of the carrier matrix. Has a reactive group on its surface capable of binding,
Derived from the cell attachment stimulating activity related to its corresponding different structure, the specific different integrin patterns and uniqueness of the tissue cells adjacent to them in the specific area where the implant should be inserted into the cell The cyclic peptide is arranged on the surface of the implant so that there is a locally differentiated, selective, biologically active coating pattern of the implant surface,
The cyclic peptide is attached to the surface of the implant by the anchor molecule ;
The human or animal somatic cell is a human or animal somatic cell expressing α v β 3 / α v β 5 ;
The cyclic peptide is cyclic RGDfK;
The anchor molecule is selected from one of the following structures:
-CO-CH 2 -CH 2 -SH; (ia)
-CO-CH 2 -CH 2 -CO- NH-CH 2 -CH 2 -SH; (ib)
-CO- (CH 2 ) 5 -NH-CO- (CH 2 ) 5 -NH-CO-CH = CH 2 ; (iib)
-CO-CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -NH-CO- (CH 2) 5 -NH-CO-CH = CH 2; (iiia)
-(CO-CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -NH) 2 -CO- (CH 2 ) 5 -NH-CO-CH = CH 2 (iiib)
Wherein the anchor molecule is an implant via an amide bond (-CO-NH-), and wherein the <br/> that is coupled with an amino group on the side chain of the Lys residue (-NH 2).
前記アンカー分子が以下の構造の1つからなる
-CO-(CH 2 ) 5 -NH-CO-(CH 2 ) 5 -NH-CO-CH=CH 2 ; (iib)
-CO-CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -NH-CO-(CH 2 ) 5 -NH-CO-CH=CH 2 ; (iiia)
-(CO-CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -NH) 2 -CO-(CH 2 ) 5 -NH-CO-CH=CH 2 (iiib)
ことを特徴とする請求項2に記載のインプラント
The anchor molecule consists of one of the following structures
-CO- (CH 2 ) 5 -NH-CO- (CH 2 ) 5 -NH-CO-CH = CH 2 ; (iib)
-CO-CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -NH-CO- (CH 2) 5 -NH-CO-CH = CH 2; (iiia)
-(CO-CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -NH) 2 -CO- (CH 2 ) 5 -NH-CO-CH = CH 2 (iiib)
The implant according to claim 2 .
前記アンカー分子が以下の構造の1つから選択される
-CO-CH 2 -CH 2 -SH ; (ia)
-CO-CH 2 -CH 2 -CO-NH-CH 2 -CH 2 -SH ; (ib)
ことを特徴とする請求項2に記載のインプラント
The anchor molecule is selected from one of the following structures
-CO-CH 2 -CH 2 -SH; (ia)
-CO-CH 2 -CH 2 -CO- NH-CH 2 -CH 2 -SH; (ib)
The implant according to claim 2 .
該環状のペプチドは、アンカー分子のカルボキシル基とのアミド結合により、アンカー分子と連結され、かつアンカー分子がアクリル酸基を介してインプラント表面に結合することを特徴とする請求項3に記載のインプラント。The implant according to claim 3 , wherein the cyclic peptide is linked to the anchor molecule by an amide bond with a carboxyl group of the anchor molecule, and the anchor molecule is bonded to the implant surface via an acrylic acid group. . キャリアマトリクスおよび、
ヒトまたは動物の体細胞の標的化付着を刺激するための、同一または異なるペプチドで構成される、前記キャリアマトリクスを取り囲むペプチド被覆を含んでなる、異なるヒトおよび動物の器官に適するインプラントであって、
前記ペプチド被覆を構成している、同一または異なるペプチドは、4〜20個のアミノ酸からなるペプチド鎖が、そのN末端アミノ基とC末端のカルボキシル基の間を連結する、アミド結合(−CO−NH−)型の連結によって形成される環状のペプチドであり、
前記ペプチド鎖のアミノ酸配列は、前記環状のペプチドを該キャリアマトリクスの表面に付着するためのアンカー分子との連結に利用可能なアミノ基を有する、Kおよび、ヒトまたは動物細胞上の、付着を支配するインテグリン受容体上の結合部位を認識する配列として、RGDを含んでおり、
前記キャリアマトリクスは、前記環状のペプチド中のK、または、前記環状のペプチドを該キャリアマトリクスの表面に付着するためのアンカー分子の適合する官能性反応性基と安定な共有結合を形成することができる、結合し得る反応性基をその表面上に有しており、
その対応した異なる構造に関係した、細胞付着刺激活性に由来して、細胞にインプラントが挿入されるべき、特定の領域において、それらと隣接する組織細胞の天然の異なる相補的なインテグリンのパターンと特異的に対応し、これにより、インプラント表面の、局部的に分化し、選択的な、生物学的に活性な被覆パターンが存在するように、前記環状のペプチドがインプラントの表面に配されており、
前記環状のペプチドが、前記アンカー分子により、インプラントの表面に付着しており、
前記環状のペプチドがαvβ3/αvβ5発現細胞と結合することが可能であり、
前記ヒトまたは動物の体細胞は、α v β 3 /α v β 5 を発現している、ヒトまたは動物の体細胞と、α IIb β 3 を発現している、ヒトまたは動物の体細胞との混合物であり、
前記環状のペプチドは、環状のRGDfKであり、
前記アンカー分子は、
-(CO-CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -NH) 2 -CO-(CH 2 ) 5 -NH-CO-CH=CH 2 (iiib)であり、
前記アンカー分子は、アミド結合(−CO−NH−)を介して、上記Lys残基の側鎖上のアミノ基(−NH 2 )と連結されている
ことを特徴とするインプラント
Carrier matrix, and
An implant suitable for different human and animal organs comprising a peptide coating surrounding said carrier matrix, composed of the same or different peptides, for stimulating targeted attachment of human or animal somatic cells,
The same or different peptides constituting the peptide coating are amide bonds (—CO—) in which a peptide chain consisting of 4 to 20 amino acids connects between the N-terminal amino group and the C-terminal carboxyl group. A cyclic peptide formed by NH-) type linkages;
The amino acid sequence of the peptide chain governs attachment on K and human or animal cells having an amino group available for attachment to an anchor molecule for attaching the cyclic peptide to the surface of the carrier matrix RGD is included as a sequence that recognizes the binding site on the integrin receptor
The carrier matrix may form a stable covalent bond with K in the cyclic peptide or a compatible functional reactive group of an anchor molecule for attaching the cyclic peptide to the surface of the carrier matrix. Has a reactive group on its surface capable of binding,
Derived from the cell attachment stimulating activity related to its corresponding different structure, the specific different integrin patterns and uniqueness of the tissue cells adjacent to them in the specific area where the implant should be inserted into the cell The cyclic peptide is arranged on the surface of the implant so that there is a locally differentiated, selective, biologically active coating pattern of the implant surface,
The cyclic peptide is attached to the surface of the implant by the anchor molecule;
Ri can der said cyclic peptide is bound to α v β 3 / α v β 5 expressing cells,
The human or animal somatic cell comprises a human or animal somatic cell expressing α v β 3 / α v β 5 and a human or animal somatic cell expressing α IIb β 3 . A mixture of
The cyclic peptide is cyclic RGDfK;
The anchor molecule is
-(CO-CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -NH) 2 -CO- (CH 2 ) 5 -NH-CO-CH = CH 2 (iiib),
Wherein the anchor molecule is an implant via an amide bond (-CO-NH-), and wherein the <br/> that is coupled with an amino group on the side chain of the Lys residue (-NH 2).
キャリアマトリクスおよび、
ヒトまたは動物の体細胞の標的化付着を刺激するための、同一または異なるペプチドで構成される、前記キャリアマトリクスを取り囲むペプチド被覆を含んでなる、異なるヒトおよび動物の器官に適するインプラントであって、
前記ペプチド被覆を構成している、同一または異なるペプチドは、4〜20個のアミノ酸からなるペプチド鎖が、そのN末端アミノ基とC末端のカルボキシル基の間を連結する、アミド結合(−CO−NH−)型の連結によって形成される環状のペプチドであり、
前記ペプチド鎖のアミノ酸配列は、前記環状のペプチドを該キャリアマトリクスの表面に付着するためのアンカー分子との連結に利用可能なアミノ基を有する、Kおよび、ヒトまたは動物細胞上の、付着を支配するインテグリン受容体上の結合部位を認識する配列として、RGDを含んでおり、
前記キャリアマトリクスは、前記環状のペプチド中のK、または、前記環状のペプチドを該キャリアマトリクスの表面に付着するためのアンカー分子の適合する官能性反応性基と安定な共有結合を形成することができる、結合し得る反応性基をその表面上に有しており、
その対応した異なる構造に関係した、細胞付着刺激活性に由来して、細胞にインプラントが挿入されるべき、特定の領域において、それらと隣接する組織細胞の天然の異なる相補的なインテグリンのパターンと特異的に対応し、これにより、インプラント表面の、局部的に分化し、選択的な、生物学的に活性な被覆パターンが存在するように、前記環状のペプチドがインプラントの表面に配されており、
前記環状のペプチドが、前記アンカー分子により、インプラントの表面に付着しており、
前記環状のペプチドは、アミノ酸配列RGDfKを含み、
前記ヒトまたは動物の体細胞は、α v β 3 /α v β 5 を発現している、ヒトまたは動物の体細胞と、α IIb β 3 を発現している、ヒトまたは動物の体細胞との混合物であり、
前記環状のペプチドは、環状のRGDfKGであり、
前記アンカー分子は、
-(CO-CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -NH) 2 -CO-(CH 2 ) 5 -NH-CO-CH=CH 2 (iiib)であり、
前記アンカー分子は、アミド結合(−CO−NH−)を介して、上記Lys残基の側鎖上のアミノ基(−NH 2 )と連結されている
ことを特徴とするインプラント
Carrier matrix, and
An implant suitable for different human and animal organs comprising a peptide coating surrounding said carrier matrix, composed of the same or different peptides, for stimulating targeted attachment of human or animal somatic cells,
The same or different peptides constituting the peptide coating are amide bonds (—CO—) in which a peptide chain consisting of 4 to 20 amino acids connects between the N-terminal amino group and the C-terminal carboxyl group. A cyclic peptide formed by NH-) type linkages;
The amino acid sequence of the peptide chain governs attachment on K and human or animal cells having an amino group available for attachment to an anchor molecule for attaching the cyclic peptide to the surface of the carrier matrix RGD is included as a sequence that recognizes the binding site on the integrin receptor
The carrier matrix may form a stable covalent bond with K in the cyclic peptide or a compatible functional reactive group of an anchor molecule for attaching the cyclic peptide to the surface of the carrier matrix. Has a reactive group on its surface capable of binding,
Derived from the cell attachment stimulating activity related to its corresponding different structure, the specific different integrin patterns and uniqueness of the tissue cells adjacent to them in the specific area where the implant should be inserted into the cell The cyclic peptide is arranged on the surface of the implant so that there is a locally differentiated, selective, biologically active coating pattern of the implant surface,
The cyclic peptide is attached to the surface of the implant by the anchor molecule;
The cyclic peptide, only contains the amino acid sequence RGDfK,
The human or animal somatic cell comprises a human or animal somatic cell expressing α v β 3 / α v β 5 and a human or animal somatic cell expressing α IIb β 3 . A mixture of
The cyclic peptide is cyclic RGDfKG;
The anchor molecule is
-(CO-CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -NH) 2 -CO- (CH 2 ) 5 -NH-CO-CH = CH 2 (iiib),
Wherein the anchor molecule is an implant via an amide bond (-CO-NH-), and wherein the <br/> that is coupled with an amino group on the side chain of the Lys residue (-NH 2).
キャリアマトリクスおよび、
ヒトまたは動物の体細胞の標的化付着を刺激するための、同一または異なるペプチドで構成される、前記キャリアマトリクスを取り囲むペプチド被覆を含んでなる、異なるヒトおよび動物の器官に適するインプラントであって、
前記ペプチド被覆を構成している、同一または異なるペプチドは、4〜20個のアミノ酸からなるペプチド鎖が、そのN末端アミノ基とC末端のカルボキシル基の間を連結する、アミド結合(−CO−NH−)型の連結によって形成される環状のペプチドであり、
前記ペプチド鎖のアミノ酸配列は、前記環状のペプチドを該キャリアマトリクスの表面に付着するためのアンカー分子との連結に利用可能なアミノ基を有する、Kおよび、ヒトまたは動物細胞上の、付着を支配するインテグリン受容体上の結合部位を認識する配列として、RGDを含んでおり、
前記キャリアマトリクスは、前記環状のペプチド中のK、または、前記環状のペプチドを該キャリアマトリクスの表面に付着するためのアンカー分子の適合する官能性反応性基と安定な共有結合を形成することができる、結合し得る反応性基をその表面上に有しており、
その対応した異なる構造に関係した、細胞付着刺激活性に由来して、細胞にインプラントが挿入されるべき、特定の領域において、それらと隣接する組織細胞の天然の異なる相補的なインテグリンのパターンと特異的に対応し、これにより、インプラント表面の、局部的に分化し、選択的な、生物学的に活性な被覆パターンが存在するように、前記環状のペプチドがインプラントの表面に配されており、
前記環状のペプチドが、前記アンカー分子により、インプラントの表面に付着しており、
前記環状のペプチドは、環状のRGDfK配列、または環状のRGDfKG配列を含み、
前記ヒトまたは動物の体細胞は、α v β 3 /α v β 5 を発現している、ヒトまたは動物の体細胞と、α IIb β 3 を発現している、ヒトまたは動物の体細胞との混合物であり、
前記環状のペプチドは、環状のRGDfKG、または環状のRGDfKであり、
前記アンカー分子は、
-(CO-CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -NH) 2 -CO-(CH 2 ) 5 -NH-CO-CH=CH 2 (iiib)であり、
前記アンカー分子は、アミド結合(−CO−NH−)を介して、上記Lys残基の側鎖上のアミノ基(−NH 2 )と連結されている
ことを特徴とするインプラント
Carrier matrix, and
An implant suitable for different human and animal organs comprising a peptide coating surrounding said carrier matrix, composed of the same or different peptides, for stimulating targeted attachment of human or animal somatic cells,
The same or different peptides constituting the peptide coating are amide bonds (—CO—) in which a peptide chain consisting of 4 to 20 amino acids connects between the N-terminal amino group and the C-terminal carboxyl group. A cyclic peptide formed by NH-) type linkages;
The amino acid sequence of the peptide chain governs attachment on K and human or animal cells having an amino group available for attachment to an anchor molecule for attaching the cyclic peptide to the surface of the carrier matrix RGD is included as a sequence that recognizes the binding site on the integrin receptor
The carrier matrix may form a stable covalent bond with K in the cyclic peptide or a compatible functional reactive group of an anchor molecule for attaching the cyclic peptide to the surface of the carrier matrix. Has a reactive group on its surface capable of binding,
Derived from the cell attachment stimulating activity related to its corresponding different structure, the specific different integrin patterns and uniqueness of the tissue cells adjacent to them in the specific area where the implant should be inserted into the cell The cyclic peptide is arranged on the surface of the implant so that there is a locally differentiated, selective, biologically active coating pattern of the implant surface,
The cyclic peptide is attached to the surface of the implant by the anchor molecule;
It said annular peptides saw including a RGDfK sequence, or cyclic RGDfKG sequence of the circular,
The human or animal somatic cell comprises a human or animal somatic cell expressing α v β 3 / α v β 5 and a human or animal somatic cell expressing α IIb β 3 . A mixture of
The cyclic peptide is cyclic RGDfKG, or cyclic RGDfK,
The anchor molecule is
-(CO-CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -NH) 2 -CO- (CH 2 ) 5 -NH-CO-CH = CH 2 (iiib),
Wherein the anchor molecule is an implant via an amide bond (-CO-NH-), and wherein the <br/> that is coupled with an amino group on the side chain of the Lys residue (-NH 2).
前記アンカー分子と結合されている環状のペプチドと、キャリアマトリクスの表面との間に、表面積拡大効果をもたらす付着促進中間層および/または分岐分子を含む
ことを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載のインプラント。
And peptide annular coupled to the anchor molecule, between the surface of the carrier matrix, any of the preceding claims, characterized in that it comprises an adhesion promoting interlayer and / or branched molecules results in a surface area expansion effect The implant according to claim 1.
キャリアマトリクスが、細胞を用いる生体内または生体外コロニー形成によりバイオハイブリッド器官として形成することができる、セラミック、ポリマー材料、金属の適当な造形品、またはこれらの材料からなる構造体である
ことを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載のインプラント。
The carrier matrix is a ceramic, a polymer material, a suitable metal shaped article, or a structure made of these materials, which can be formed as a biohybrid organ by in vivo or in vitro colony formation using cells. The implant according to any one of claims 1 to 9 .
請求項1〜10のいずれか一項に記載のインプラントを調製する方法であって、
(i)生体内でインプラントが挿入されるべき標的組織のインテグリン受容体構造を試験管内試験システムで決定し、
(ii)該インテグリン受容体に適合する、前記環状のペプチドを選択または合成し、
(iii)前記環状のペプチドはインプラントのそれぞれの任意に変性された表面に前記アンカー分子を介して共有結合されて、インプラントの表面上の異なる環状のペプチドペプチドの局部的配列は、そのインプラントが挿入されるべき、相補的インテグリンパターンを有する標的細胞の特定の予め定められた局部的配列と対応している
ことを特徴とする方法。
A method for preparing an implant according to any one of claims 1 to 10 , comprising
(I) determining the integrin receptor structure of the target tissue into which the implant is to be inserted in vivo with an in vitro test system;
(Ii) selecting or synthesizing said cyclic peptide compatible with said integrin receptor;
(Iii) The cyclic peptide is covalently attached to each arbitrarily modified surface of the implant via the anchor molecule, and the local sequence of different cyclic peptide peptides on the surface of the implant is inserted by the implant A method characterized in that it corresponds to a specific predetermined local sequence of a target cell having a complementary integrin pattern to be done.
標的組織のインテグリン受容体構造の試験管内的な決定を、免疫組織学的に活性な抗体により行う
ことを特徴とする請求項11に記載の方法。
12. The method of claim 11 , wherein the in vitro determination of the integrin receptor structure of the target tissue is performed with an immunohistologically active antibody.
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